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Termodinâmica - Coggle Diagram

- - - - A energia interna de uma dada massa de gás, que passaremos a representar por U, corresponde à soma de várias parcelas, entre as quais podemos citar a energia cinética média de translação das moléculas, a energia potencial de configuração, relacionada às forças intermoleculares, e a energia cinética de rotação das moléculas.
        
        Com o auxílio das leis da Mecânica e da equação de Clapeyron, é possível demonstrar que a energia interna U de uma dada massa de gás perfeito monoatômico pode ser calculada por:
        
        Nessa expressão, U é a energia interna do gás, correspondente à energia cinética média de translação de suas moléculas, n é o número de mols do gás, T sua temperatura absoluta (em kelvin) e R a constante universal dos gases perfeitos.
        
        A partir da expressão anterior, podemos enunciar uma lei, conhecida como lei de Joule, para os gases perfeitos:
        A energia interna de uma dada massa de gás perfeito depende exclusivamente de sua temperatura absoluta T.
        
        Entretanto, na Termodinâmica não se costuma fazer a quantificação direta da energia interna do gás, mas sim de sua variação ∆U. Assim:
        
        se a temperatura do gás aumentar, U aumentará e teremos ∆U. > 0;
        
        se a temperatura do gás diminuir, U diminuirá e teremos ∆U. < 0;
        
        se a temperatura do gás não variar (transformação isotérmica) ou se a temperatura final for igual à temperatura inicial, U não variará e teremos ∆U. =0.
  - - - Os choques das moléculas do gás contra um êmbolo resultam numa força F e, se o gás sofrer uma expansão, o êmbolo se deslocará no mesmo sentido da força (b). Portanto, o trabalho é positivo e dizemos que o gás realizou trabalho. Se o gás sofrer uma contração de volume, o êmbolo se deslocará no sentido oposto ao da força (c). Nesse caso, o trabalho é negativo e dizemos que o gás recebeu trabalho.
        
        Consideraremos uma expansão isobárica do gás, ou seja, um aumento de volume sob pressão constante.
        Nesse caso, a força F é constante, pois F/S, portanto, F = PS, em que S é a área do êmbolo, que também é um valor constante.
        
        **Como vimos anteriormente, para uma força F constante e na direção do deslocamento, o trabalho é dado por: t = Fd
        Então: t = Fd; t = pSd
        **
        
        Entretanto, o produto Sd na expressão acima corresponde à variação de volume ∆V do gás.
        Portanto, numa transformação isobárica de um gás perfeito:
        
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- - - - A primeira lei da Termodinâmica estabelece que, em qualquer transformação:
        
        Essa lei de conservação de energia pode ser assim enunciada:
        A variação da energia interna ∆U do sistema é igual à diferença entre o calor Q trocado pelo sistema e o trabalho envolvido na transformação
        
        O sinal da quantidade de calor Q é dado por:
        • Q > 0, quando é recebido pelo gás;
        • Q < 0, quando é cedido pelo gás;
        • Q = 0, quando o gás não troca calor; nesse caso temos uma transformação adiabática.
- - - - A - B é uma expansão isotérmica durante a qual o gás recebe a quantidade de calor QI da fonte quente.
        B - C é uma expansão adiabática durante a qual gás sofre resfriamento e sua temperatura varia de TI (temperatura da fonte quente) para T2 (temperatura da fonte fria).
        C - D é uma compressão isotérmica durante a qual o gás rejeita a quantidade de calor Q2 para a fonte fria.
        D - A é uma compressão adiabática durante a qual o gás sofre aquecimento e sua temperatura varia de T2 (temperatura da fonte fria) para TI (temperatura da fonte quente).
        
        O rendimento de uma máquina térmica, como visto anteriormente, é dado por.
        
        Para um ciclo de Carnot, pode-se demonstrar que a quantidade de calor trocada pelo gás é diretamente proporcional à temperatura da fonte: Q cx T. Assim, o rendimento de uma máquina de Carnot é dado por:
        
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- - - - Uma xícara de café quente, por exemplo, deixada sobre uma mesa esfria até atingir a temperatura ambiente. Esse processo está de acordo com a primeira lei da Termodinâmica. Contudo, se deixarmos uma xícara com café à temperatura ambiente sobre uma mesa, é muito pouco provável que ela espontaneamente se aqueça, apesar de este processo inverso também obedecer à primeira lei da Termodinâmica.
        
        **De acordo com o físico e matemático alemão Rudolf Clausius (1822-1888):
        Calor não flui espontaneamente de um corpo com menor temperatura para um corpo com maior temperatura.
        **
        
        Se levarmos em conta que calor é uma forma de energia e que sua conversão em energia mecânica não é integral como estabelecido pela primeira lei da Termodinâmica, podemos enunciar a segunda lei da Termodinâmica em outros termos:
        É impossível a uma máquina térmica operando em ciclos converter integralmente calor em trabalho.
        
        Esse enunciado é conhecido como enunciado de Kelvin-Planck.
        
        De acordo com a segunda lei da Termodinâmica, uma maquina térmica funcionando em ciclos deve operar entre duas temperaturas constantes. A máquina recebe uma quantidade de calor QI de uma fonte quente, à temperatura mais alta TI, converte parte deste calor em trabalho útil e rejeita uma quantidade de calor Q2 para uma fonte fria, à temperatura mais baixa T2.
        
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- - - - Portanto, durante qualquer ciclo: ∆U = 0
        
        Durante a realização de um ciclo, o trabalho realizado pelo gás corresponde à soma algébrica dos trabalhos envolvidos em todas as etapas.
        
        No diagrama de Clapeyron, podemos calcular o módulo do trabalho em cada etapa do ciclo pela área sob a curva. Como o trabalho é positivo na expansão do gás e negativo na contração, podemos concluir que, na transformação cíclica, o módulo do trabalho é numericamente igual à área interna do ciclo
        
        O saldo líquido de trabalho no ciclo da figura é positivo e o gás realiza trabalho (ciclo de sentido horário). Portanto, em um ciclo de sentido horário, calor é convertido em trabalho.
        
        Como em uma transformação cíclica a variação da energia interna é nula, de acordo com a primeira lei da Termodinâmica, teremos:
        
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