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Lei dos Gases Ideais e o Ciclo de Carnot

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A Primeira Lei da Termodinâmica Explicada

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/09/2023
Motores quânticos
Uma equipe da Alemanha, Finlândia e Japão criou um motor que usa os princípios da mecânica quântica para criar energia, em vez da forma usual de queimar combustível.

Em um motor tradicional de carro, uma mistura de combustível e ar recebe a fagulha de uma vela e incendeia-se dentro de uma câmara. A explosão resultante aquece o gás na câmara, que por sua vez empurra um pistão para dentro e para fora, produzindo trabalho que finalmente irá girar as rodas do carro.

No seu motor quântico, Jennifer Koch e seus colegas substituíram o uso do calor por uma mudança na natureza quântica das partículas do gás.

Para compreender como esta mudança pode alimentar o motor, precisamos lembrar que todas as partículas na natureza podem ser classificadas como bósons (fótons, glúons, mésons etc. ) ou férmions (elétrons, prótons, quarks e neutrinos), com base nas suas características quânticas. Em temperaturas muito baixas, onde os efeitos quânticos se tornam fortes e consistentes, os bósons têm um estado de energia mais baixo do que os férmions, e essa diferença de energia pode ser usada para alimentar um motor.

Em vez de aquecer e resfriar um gás ciclicamente, como se faz no motor a combustão de um carro, o motor quântico funciona transformando bósons em férmions e vice-versa.

"Para transformar férmions em bósons, você pode pegar dois férmions e combiná-los em uma molécula. Esta nova molécula é um bóson. Quebrá-la nos permite recuperar os férmions novamente. Fazendo isso ciclicamente, podemos alimentar o motor sem usar calor", explicou o professor Thomas Busch, do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa, no Japão.
Motorizando a revolução quântica
Embora este tipo de motor funcione apenas no regime quântico, a equipe descobriu que sua eficiência é bastante elevada, podendo chegar a 25% na atual configuração experimental, o que é um rendimento maior do que o da maioria dos motores a combustão.

Mas isso significa que em breve veremos a mecânica quântica alimentando os motores dos nossos carros? "Embora estes sistemas possam ser altamente eficientes, apenas fizemos uma prova de conceito em conjunto com os nossos colaboradores experimentais," explicou Keerthy Menon, membro da equipe. "Ainda existem muitos desafios para a construção de um motor quântico útil."

Embora ofereça mais uma ferramenta para o campo das tecnologias quânticas, o grande desafio para tirar proveito prático deste motor quântico está no frio: Ele só funciona em temperaturas criogênicas, perto do zero absoluto. Assim, uma quantidade substancial de energia é gasta para resfriar o motor a estas baixas temperaturas, a fim de proteger o estado quântico sensível, o que torna o motor energeticamente deficitário para aplicações a temperatura ambiente.

Mas a equipe pretende continuar melhorando o motor quântico, lidando com questões teóricas fundamentais sobre a operação do sistema, otimizando seu desempenho e investigando sua potencial aplicabilidade em outros dispositivos comumente usados, como baterias e sensores.
Bibliografia:

Artigo: Making statistics work: a quantum engine in the BEC-BCS crossover
Autores: Jennifer Koch, Keerthy Menon, Eloisa Cuestas, Sian Barbosa, Eric Lutz, Thomás Fogarty, Thomas Busch, Artur Widera
Revista: Nature
Vol.: 621, pages 723-727
DOI: 10.1038/s41586-023-06469-8

Mais tópicos

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Motor quântico supera eficiência de motor a combustão

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Os motores quânticos já estão no horizonte, impulsionando uma nova onda de tecnologias quânticas.

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Bombeie moléculas de gás em uma caixa e veja o que acontece quando você altera o volume, adiciona ou remove o calor, muda a gravidade, e muito mais. Meça a temperatura e a pressão, e descubra como as propriedades do gás variam entre si. Examine os histogramas de energia cinética e de velocidade das partículas pesadas e da luz. Explore a difusão e determine como a concentração, temperatura, massa e raio afetam a taxa de difusão.

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Veja diferentes tipos de moléculas formado um sólido, líquido ou gás. Adicione ou remova o calor e observe a mudança de fase. Altere a temperatura ou o volume de um recipiente e veja um diagrama pressão-temperatura atualizado em tempo real. Relacione o potencial de interação com as forças entre as moléculas.

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Resumo direto ao ponto

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O resumo sobre Termodinâmica que vai salvar a sua prova da escola ou do vestibular está te esperando bem aqui.

Termodinâmica é parte da Física que estuda as leis que regem as relações entre calor, trabalho e outras formas de energia, mais especificamente a transformação de um tipo de energia em outra, a disponibilidade de energia para a realização de trabalho e a direção das trocas de calor.

Para entendermos a Termodinâmica, alguns conceitos têm que estar bem estruturados em nossas cabeças. São eles:

Temperatura: grau de agitação das moléculas.

Calor: troca de energia térmica entre os corpos.

Energia: capacidade de um corpo em realizar trabalho

Transformações

Na Termodinâmica estudaremos, basicamente, os gases. Os tipos de transformações que os gases podem sofrer são:

Isobárica: pressão constante ("bar" é uma unidade de pressão)

Isovolumétrica ou Isocórica: volume constante

Isotérmica: temperatura constante

Adiabática: transformação sem troca de calor com o meio externo

Trabalho de um gás ideal (W)

Um gás contido num recipiente indeformável com um êmbolo é aquecido. Como as moléculas estarão mais agitadas, ocorrerá a expansão do gás.

Utilizando a equação do trabalho (W=F.d), a equação da pressão (p=F/A) e a equação de Clapeyron (PV=nRT), chegamos à seguinte equação para o trabalho em um gás:

Onde p é a pressão do gás (que deve ser constante para este tipo de análise) e ΔV é a variação do volume do gás (ΔV=d.A).

Note que, para este tipo de estudo do trabalho em um gás, a pressão deve ser constante (transformação isobárica).

O gás sofre uma expansão quando W>0 e, obrigatoriamente, ΔV>0.

O gás sofre uma contração quando W<0 e, obrigatoriamente, ΔV<0.

Se W=0 temos, obrigatoriamente, ΔV=0 (transformação isovolumétrica).

Calor

Se o gás recebe calor: Q>0

Se o gás cede calor: Q<0

Se não ocorre troca de calor: Q=0 (transformação adiabática).

OBS.: Nas questões onde aparecer que a transformação foi muito rápida, brusca, instantânea ou algo do tipo, considerar que a transformação é adiabática.

Energia Interna (ΔU)

É soma de todas as energias das moléculas do gás. Está relacionada à agitação das moléculas do gás, ou seja, relacionado à temperatura do gás.

Agitação (temperatura) das moléculas aumenta (ΔT>0): energia interna aumenta, ΔU>0

Agitação (temperatura) das moléculas diminui (ΔT<0): energia interna diminui, ΔU<0

Agitação (temperatura) das moléculas não muda (ΔT=0, transformação isotérmica): energia interna não muda, ΔU=0

Primeira Lei da Termodinâmica

Lei que relaciona a energia interna, quantidade de calor e trabalho de um gás:

Dica: Pense que o calor é como a comida que você ingere para te dar energia e o trabalho é a energia que você gasta para realizar as tarefas diárias (andar, estudar, trabalhar, etc). A energia interna será o saldo de energia ao final do dia (por exemplo, a gordura, no caso de a quantidade de energia da alimentação ser maior que a energia gasta ao durante o dia).

A Segunda Lei da Termodinâmica, estudo sobre as Máquinas Térmicas, terá um resumo próprio. Fique ligado!

Exercícios

1. (UFSCAR) Mantendo uma estreita abertura em sua boca, assopre com vigor sua mão agora! Viu? Você produziu uma transformação adiabática! Nela, o ar que você expeliu sofreu uma violenta expansão, durante a qual

a) o trabalho realizado correspondeu à diminuição da energia interna desse ar, por não ocorrer troca de calor com o meio externo.

b) o trabalho realizado correspondeu ao aumento da energia interna desse ar, por não ocorrer troca de calor com o meio externo.

c) o trabalho realizado correspondeu ao aumento da quantidade de calor trocado por esse ar com o meio, por não ocorrer variação da sua energia interna.

d) não houve realização de trabalho, uma vez que o ar não absorveu calor do meio e não sofreu variação de energia interna.

e) não houve realização de trabalho, uma vez que o ar não cedeu calor para o meio e não sofreu variação de energia interna.

2. (IME) Um gás ideal sofre uma expansão isotérmica, seguida de uma compressão adiabática. A variação total da energia interna do gás poderá ser nula se, dentre as opções abaixo, a transformação seguinte for uma:

a) compressão isotérmica.

b) expansão isobárica.

c) compressão isobárica.

d) expansão isocórica.

e) compressão isocórica.

3. (PUC) Um gás ideal sofre uma compressão isobárica tal que seu volume se reduz a 2/3 do inicial. Se a temperatura inicial do gás era de 150 °C, a temperatura final, em °C, é:

a) 225

b) 50,0

c) 100

d) 9,00

e) 362

Gabarito

1. A

2. C

3. D

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O resumo sobre Termodinâmica que vai salvar a sua prova da escola ou do vestibular está te esperando bem aqui.

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Termodinâmica em notas de aula