Turma: PI
Formador: José Janeiro
SISTEMAS TERMODINÂMICOS - RESUMO
Os sistemas termodinâmicos são:

Abertos – troca matéria e energia com a vizinhança (ex: copo de água);

Fechados – não troca matéria, mas troca energia com a vizinhança (ex:
lata de refrigerante);

Isolados – não troca matéria nem energia com a vizinhança (ex: garrafa
termo).
Qualquer análise termodinâmica começa com a seleção do sistema, fronteira
e vizinhanças:

Sistema – parte do universo que queremos estudar.

Fronteira – é uma superfície real ou imaginária que separa o sistema da
vizinhança.

Vizinhança – é o que fica de fora do sistema.
Propriedades da parede de um sistema:

Paredes impermeáveis – não permitem transferência de matéria (massa).

Paredes rígidas – não permitem transferência de energia na forma de
trabalho (não há variação de volume).

Paredes adiabáticas – não permitem transferência de energia na forma
de calor.
Processos termodinâmicos mais utilizados:
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VARIÁVEIS DE ESTADO
Algumas das variáveis de estado de um sistema são:

Temperatura;

Pressão;

Volume;

Energia interna;

Etc.
Temperatura
O funcionamento de um termómetro baseia-se na Lei Zero da Termodinâmica:
“Dois sistemas A e B, postos em contacto, acabam por alcançar um estado de
equilíbrio térmico. Se A e B estiverem, separadamente, em equilíbrio térmico
com um terceiro sistema C, estarão também em equilíbrio térmico um com o
outro(Guémez e Fiolhais, 1998).”
As escalas termométricas mais utilizadas são: Celsius (ºC), Fahrenheit (ºF) e Kelvin
(K).
Relação entre a escala Fahrenheit e a escala Celsius: T (ºF) = T (ºC) x 1,8 + 32
Relação entre a escala Kelvin e a escala Celsius: T (K) = T (ºC) + 273,15
Pressão
A pressão é a força exercida por unidade de área:
A unidade de pressão no Sistema Internacional é o Pascal, Pa (1 atm = 760 mm
Hg = 101 325 Pa).
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Volume é a medida do espaço ocupado pelo sistema.
No Sistema Internacional é expresso em m3 e em Química utiliza-se em ml ou L.
Energia interna [J]
A energia interna de um sistema tem duas componentes:

a energia cinética (cujo valor está relacionado com a temperatura);

a energia potencial (associada com a interação entre as partículas).
A energia cinética (Ec) encontra-se associada ao movimento dos corpos. Um
Homem em movimento possui energia cinética que depende da sua massa e
da sua velocidade.
Quando um corpo está em movimento, apresenta uma determinada
velocidade. Para que o corpo passe do estado de repouso ao de movimento,
é preciso aplicar uma força que, multiplicada pelo deslocamento do corpo,
seja igual ao trabalho realizado.
Ec = mv2/2
m = massa (kg)
v = velocidade (m/s)
A energia potencial (Ep) é energia que depende da posição de um corpo
relativamente a outros sistemas com os quais interatua.

Um corpo elástico deformado possui energia potencial elástica.

Um corpo à superfície da terra possui energia potencial gravítica.
A capacidade de um corpo para produzir trabalho pelo facto de estar a uma
dada altura é designado por energia potencial gravítica.
A energia armazenada por um corpo que se encontra a uma altura h, é:
Ep = m g h
m = massa (kg)
g = aceleração gravítica (m/s2)
h = altura (m)
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Podemos alterar a energia interna de um sistema por dois processos:

transferindo-lhe energia sob a forma de calor;

realizando trabalho sobre o sistema.
TRANSFERÊNCIAS DE ENERGIA SOB A FORMA DE CALOR
A quantidade de energia transferida sob a forma de calor para um
determinado sistema:

depende da variação de temperatura sofrida pelo sistema;

depende da quantidade de matéria (massa) do sistema;

depende do tipo de material que constitui o sistema (capacidade
térmica mássica).
Cada material apresenta uma determinada capacidade para "transformar a
energia recebida em aumento de temperatura". A essa capacidade dá-se o
nome de capacidade térmica mássica. A capacidade térmica mássica de um
material indica a quantidade de energia que se deve fornecer a um quilograma
desse material para a sua temperatura aumentar 1K.
Pode-se então calcular a quantidade de energia transferida sob a forma de
calor para um sistema, utilizando a expressão seguinte:
Calor (Q) = massa (m) x capacidade térmica mássica (c) x variação da
temperatura (∆T)
Uma vez que calor corresponde a uma transferência de energia, a sua unidade
é o Joule (J). Outra unidade de energia, é a Caloria (símbolo: 1 cal = 4,1868 J),
é uma unidade de medida de energia que não pertence ao Sistema
Internacional de Unidades.
Há duas maneiras possíveis de transferir energia sob a forma de calor, que são:

Condução – é o processo de propagação de energia ao longo de um
condutor, submetido a uma diferença de temperatura entre as suas
extremidades.
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
Convecção – é o processo em que a energia é transportada devido ao
deslocamento de matéria (líquida ou gasosa) de zonas mais quentes
para zonas mais frias. Os deslocamentos de matéria designam-se por
correntes de convecção.
Primeira Lei da Termodinâmica
A Primeira Lei da Termodinâmica (lei da conservação da energia) diz que a
variação da energia interna de um sistema com massa constante só pode ficar
a dever-se a trocas de energia entre o sistema e a sua vizinhança, quer na forma
de calor, quer na forma de trabalho.
Se o sistema estiver isolado termicamente, não há fluxo de calor (Q=0J) e, toda
a variação da energia interna é devido ao trabalho:
∆Ei = w
Por outro lado, se não se realizar trabalho (w=0J), a variação de energia interna
é apenas devido ao fluxo de calor:
∆Ei = Q
Num sistema isolado, Q=0J, w=0J, portanto:
∆Ei = 0 J
A energia interna permanece constante num sistema isolado.
Segunda Lei da Termodinâmica
A Segunda Lei da Termodinâmica chama-se lei da não diminuição da entropia
e enuncia-se:
A entropia (medida da desordem) de um sistema isolado nunca pode diminuir.
Aumenta nos chamados processos irreversíveis e mantém-se nos chamados
processos reversíveis.
O sentido da transferência de energia entre sistemas termodinâmicos obedece
à Segunda Lei da Termodinâmica. Esta Lei impõe que a transferência de energia
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na forma de calor ocorra, de forma espontânea, do sistema que está à
temperatura mais elevada para o sistema que está à temperatura mais baixa.
ENERGIA ÚTIL, ENERGIA DISSIPADA E RENDIMENTO
Uma máquina é um dispositivo que extrai energia de uma fonte, transformandoa noutra forma de energia que nos pode ser útil. Contudo, nenhuma máquina
pode converter toda a energia recebida.
Energia motora (fornecida) = Energia útil + Energia dissipada
Rendimento
Uma máquina será tanto mais eficaz quanto menor for a fração de energia
dissipada. Define-se rendimento de uma máquina (ƞ) como:
ƞ (%) = Energia útil / Energia fornecida x 100
É importante salientar que a energia não é perdida independentemente de o
rendimento ser grande ou pequeno. A energia nunca desaparece, transformase em diversas formas e transfere-se entre sistemas. A Energia é sempre
conservada.
Potência de uma Máquina
É uma grandeza que informa sobre a rapidez com que uma máquina transfere
energia de um sistema para outro:
P [W] = E [J]/ ∆t[S]
∆t = intervalo de tempo (s)
E = energia transferida pela máquina no
1W=1J/s
intervalo ∆t (Joule)
P = potência da máquina (Watt)
Pode agora confirmar-se que a unidade quilowatt-hora (kWh) é uma unidade
de energia.
E = P x ∆t
∆t = 1 h = 60 x 60 s = 3 600 s
P = 1 kW = 1 000 W
1 kWh = 1 000 x 3 600 = 3,6 x 106
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