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Conceito de Calor nos Livros de Ciências

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Conceito de Calor nos Livros de Ciências

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2ª LEI DA TERMODINÂMICA e ENTROPIA - TERMOLOGIA - Aula 20   Prof.  Boaro

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Perfil Conceitual para o Conceito de Calor

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Perfil Conceitual para o Conceito de Calor

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James Prescott Joule foi um físico britânico, filho de um bem-sucedido cervejeiro. Nasceu em 1818 e morreu, aos 71 anos, em 1889. Joule foi educado por meio de aulas particulares. Nesse tempo, teve contato com alguns grandes nomes da ciência, dos quais se destaca John Dalton. A ciência era um hobby na vida de Joule, mas suas contribuições foram muito significativas.

A partir de vários experimentos relacionados com o estudo do calor, Joule determinou a relação entre trabalho mecânico e calor, mostrando que a energia gasta na realização de uma atividade pode ser convertida em calor. Essa relação foi determinante para a formulação da Primeira Lei da Termodinâmica, lei que impulsionou os estudos referentes às máquinas térmicas, equipamentos que contribuíram para a Revolução Industrial.

O experimento esquematizado acima é de autoria de Joule. A água no interior do recipiente estava isolada termicamente e em contato com uma série de pás, que, por sua vez, estavam conectadas a pesos por meios de fios e roldanas. Cada vez que os pesos eram abandonados de uma determinada altura, as pás entravam em movimento e moviam a água. Após abandonar os pesos inúmeras vezes, Joule percebeu que o termômetro acoplado ao sistema indicava aumento de temperatura. Essa foi a comprovação de que a energia mecânica pode ser convertida em calor.

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Em estudos relacionados com a corrente elétrica, Joule mostrou que a passagem de portadores de carga por uma resistência gerava calor. A possibilidade da transformação de energia elétrica em calor tornou-se a base de tecnologias utilizadas até hoje. O conhecido Efeito Joule mostra que o calor gerado pela passagem da corrente elétrica depende da corrente elétrica, da resistência do resistor e do tempo em que o circuito permaneceu exposto à passagem da corrente elétrica. Sendo assim, podemos escrever:
Q = i².R.Δt
Q = Quantidade de calor gerada;

i = Corrente elétrica;

R = Resistência elétrica;

Δt = Variação do tempo.

Joule ainda definiu uma lei que determinou a relação entre a energia interna de um gás e a variação de temperatura. A lei de Joule para os gases perfeitos pode ser escrita da seguinte forma:
ΔU=3.N.R.T
2
ΔU = Variação da energia interna;

N = Número de Mol;

R = Constante universal dos gases;

T = Temperatura.

Após a sua morte, em 1889, a unidade de medida para energia e trabalho foi determinada pelo Sistema Internacional de Unidades como unidade Joule (J). A unidade Joule (J) é definida como newton vezes metro (N.m) ou watt vezes segundo (W.s).
* Crédito da imagem: Neveshkin Nikolay/Shutterstock.com

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Conheça a vida e as descobertas de James Prescott Joule, o filho do cervejeiro que deu inúmeras contribuições para a ciência no século XIX.

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Física Básica Universitária 2 - Primeira Lei da Termodinâmica e o Experimento de Joule 37

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A Termodinâmica estuda a troca de matéria e a troca de energia pelo trabalho e pelo calor entre sistemas ou entre um sistema e sua vizinhança. Trabalha com os estados de equilíbrio e com as propriedades macroscópicas que caracterizam os sistemas.

O que é equilíbrio termodinâmico?

O que são processos quase-estáticos, reversíveis e irreversíveis?

A Termodinâmica, como teoria Física, é estruturada por quatro leis: lei zero, associada ao conceito de temperatura, primeira lei, associada ao conceito de energia, segunda lei, associada ao conceito de entropia, e terceira lei, também chamada de postulado de Nernst, associada ao limite constante da entropia quando a temperatura Kelvin se apoxima de zero. Não abordaremos aqui esta última lei.

Aqui é importante frizar que utilizaremos os termos calor e trabalho para indicar processos:

Calor é o processo de transferência de energia causado por uma diferença de temperatura.

Trabalho é o processo mecânico de transferência de energia.

Lei Zero
Tomamos dois sistemas diferentes e colocamos um em contato com o outro através de uma parede imóvel, impermeável à passagem de matéria, mas que permita a passagem de energia por calor. A partir do momento em que as propriedades dos sistemas deixam de variar, eles terão alcançado o equilíbrio térmico.

A lei zero da Termodinâmica estabelece o seguinte: dois sistemas em equilíbrio térmico com um terceiro estão em equilíbrio térmico ente si.

Esta lei justifica o conceito de temperatura como sendo a propriedade que, sendo igual para dois sistemas, indica que estão em equilíbrio térmico.

Em termos práticos, para saber se dois sistemas têm a mesma temperatura não é necessário colocá-los em contato térmico entre si, bastando verificar se ambos estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, chamado termômetro.

Dito de outra forma, consideremos que quando o sistema A está em equilíbrio térmico com o termômetro, ele indica a temperatura T A e quando o sistema B está em equilíbrio térmico com o mesmo termômetro, ele indica a temperatura T B. Então, se T A = T B, os sistemas A e B estão em equilíbrio térmico um com o outro.

O que é o termômetro de gás a volume constante?
Primeira Lei
A energia interna U de um sistema é a soma das energias cinéticas e das energias potenciais de todas as partículas que formam esse sistema e, como tal, é uma propriedade do sistema. Isto significa que qualquer variação ΔU na energia interna só depende do estado inicial e do estado final do sistema no processo considerado.

A primeira lei da Termodinâmica estabelece o seguinte: se um sistema troca energia com a vizinhança por calor e por trabalho, então a variação da sua energia interna é dada por:

ΔU = Q − W

Esta lei representa a aplicação do princípio de conservação da energia a sistemas termodinâmicos. W representa a quantidade de energia transferida do sistema para a vizinhança por trabalho e Q representa a quantidade de energia transferida da vizinhança para o sistema por calor. Por isso:

W > 0: o sistema se expande e perde energia para a vizinhança.

W < 0: o sistema se contrai e recebe energia da vizinhança.

Q > 0: a energia por calor passa da vizinhança para o sistema.

Q < 0: a energia por calor passa do sistema para a vizinhança.

Embora ΔU só dependa do estado inicial e do estado final do sistema, porque representa a variação da sua energia interna, as quantidades de energia W e Q dependem, também, do processo que leva o sistema do estado inicial ao estado final. Para discutir essa propriedade importante da energia interna vamos considerar uma amostra de gás que é levada do estado 1 para o estado 2 por três processos diferentes.

A quantidade de energia associada ao trabalho realizado pelo sistema sobre a vizinhança no processo 1-A-2 é dada pela área sob a isóbara 1-A, no processo 1-B-2 é dada pela área sob a isóbara B-2 e no processo 1-2 é dada pela área sob a curva correspondente. Por isso, a quantidade de energia associada ao trabalho depende do processo.

Por outro lado, se uma certa quantidade de energia entra no sistema por calor e a pressão do sistema permanece constante, uma parte da energia fica no sistema como energia interna, aumentando a sua temperatura, e a outra parte volta à vizinhança, pelo trabalho de expansão do sistema. Entretanto, se essa quantidade de energia associada ao calor entra no sistema e o volume do sistema permanece constante, não existe trabalho do sistema sobre a vizinhança e toda a energia fica no sistema como energia interna, causando um aumento maior na sua temperatura. Por isso, a quantidade de energia associada ao calor depende do processo.

A primeira lei afirma que, apesar da quantidade de energia W trocada por trabalho e da quantidade de energia Q trocada por calor entre o sistema e a vizinhança dependerem, cada uma delas, do processo pelo qual o sistema passa de um estado para outro, a diferença Q − W não depende.

Por que a energia interna de um gás ideal só depende da temperatura? Sob que condições a energia associada ao trabalho é máxima? Como se caracteriza o ciclo de Carnot? Como se define a escala Kelvin?

A primeira lei da Termodinâmica representa a aplicação do princípio de conservação da energia a sistemas que podem trocar energia com a vizinhança por calor. Esta lei, assim como o princípio de conservação da energia, não contém restrições quanto à direção do fluxo de energia entre dois sistemas. Por exemplo, estão de acordo com essa lei tanto a passagem de energia, por calor, de um corpo de temperatura maior a outro de temperatura menor, quanto a passagem de energia, por calor, de um corpo de temperatura menor a outro de temperatura maior. No entanto, na Natureza, observamos que é possível a passagem espontânea de energia por calor apenas de um corpo de temperatura maior a outro de temperatura menor. A segunda lei da Termodinâmica dá conta desta falta de simetria.

Vamos discutir, a seguir, dois enunciados equivalentes para a segunda lei da Termodinâmica. Estes enunciados são muito úteis nas discussões que envolvem máquinas térmicas e refrigeradores.

Enunciado de Kelvin: nenhum sistema pode realizar qualquer processo cíclico cujo único efeito seja retirar, por calor, certa quantidade de energia de um único reservatório térmico e ceder, por trabalho, uma quantidade igual de energia para a vizinhança.

Aqui é muito importante observar que esse enunciado se refere a um processo cíclico. Podemos perfeitamente imaginar um processo não cíclico através do qual certa quantidade de energia é retirada, por calor, de um único reservatório térmico e uma quantidade igual de energia é devolvida, por trabalho, à vizinhança.

Como exemplo, podemos considerar uma amostra de gás ideal que se expande isotermicamente (isto é, a temperatura constante) em contato com um reservatório térmico. A amostra recebe energia, por calor, do reservatório térmico e, simultaneamente, cede energia, por trabalho, para a vizinhança. Nesse processo, ΔU = 0 e pela primeira lei, Q = W, isto é, a quantidade de energia recebida pelo gás por calor é igual à quantidade de energia cedida por trabalho.

Enunciado de Clausius: nenhum sistema pode realizar qualquer processo cíclico cujo único efeito seja retirar, por calor, certa quantidade de energia de um reservatório térmico com temperatura baixa e ceder, também por calor, igual quantidade de energia a um reservatório térmico com temperatura alta.

Aqui, novamente, é muito importante observar que esse enunciado se refere também a um processo cíclico. Se o sistema não volta ao estado inicial, a transferência de energia, por calor, do reservatório térmico com temperatura baixa para o reservatório térmico com temperatura alta é perfeitamente possível.

Como exemplo, podemos considerar uma amostra de gás ideal que é expandida isotermicamente em contato com um reservatório térmico de temperatura baixa T ₁ (processo A-B), depois comprimida adiabaticamente (isto é, sem trocar energia por calor com a vizinhança), de modo que sua temperatura aumente de T ₁ para T ₂ (processo B-C) e, finalmente, comprimida isotermicamente em contato com um reservatório térmico de temperatura alta T ₂ (processo C-D).

No processo A-B, o gás recebe do reservatório térmico de temperatura baixa certa quantidade de energia por calor e cede energia por trabalho. No processo B-C, o gás recebe energia por trabalho. No processo C-D, o gás cede certa quantidade de energia por calor ao reservatório térmico de temperatura alta e recebe energia por trabalho. De qualquer modo, podemos ajustar o processo global de modo que a quantidade de energia associada ao trabalho seja nula e, mesmo assim, uma certa quantidade de energia diferente de zero é transferida por calor do reservatório térmico de temperatura baixa para o reservatório térmico de temperatura alta.

Há um terceiro enunciado para a segunda lei da Termodinâmica baseado no conceito de entropia.

Enunciado pela Entropia: a entropia de um sistema isolado não se altera se ele realiza um processo reversível e aumenta se ele realiza um processo irreversível.

Um sistema isolado não troca energia e não troca matéria com a vizinhança.

De modo geral, os processos naturais são espontâneos e, portanto, não são quase-estáticos. Isto significa que eles são irreversíveis e ocorrem, sempre, com aumento de entropia. Assim, a entropia do universo aumenta sempre.

O aumento da entropia em processos irreversíveis é muito importante para dar sentido ao próprio conceito de entropia.

A energia e a entropia de um sistema isolado não variam se o sistema evolui reversivelmente. Por definição, os estados do sistema, associados a qualquer processo reversível, são estados de equilíbrio termodinâmico. Além disso, leva um certo intervalo de tempo para que o sistema, uma vez perturbado, atinja um novo estado de equilíbrio termodinâmico. Desta forma, um processo só pode ser completamente reversível caso se desenvolva muito lentamente. Os processos naturais não são reversíveis justamente por isso.

Por outro lado, a energia se conserva e a entropia sempre aumenta nos processos irreversíveis que ocorrem num sistema isolado. A propriedade de conservação da energia, sendo inerente a um sistema isolado, quaisquer que sejam os processos, reversíveis ou não, pelos quais ele passa, mostra que a energia não pode indicar o sentido da evolução de tais processos. Contudo, o aumento da entropia nos processos irreversíveis, aumento esse também inerente a um sistema isolado, mostra que a entropia pode indicar, sim, o sentido da evolução de tais processos: o estado inicial pode ser diferenciado do estado final porque este último tem, necessariamente, maior entropia.
Leia mais... O ponto de Vista Estatístico
Como se define entropia? O que são máquinas térmicas?
Leia mais... Teoria Cinética e Termôdinâmica

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A Termodinâmica estuda a troca de matéria e a troca de energia pelo trabalho e pelo calor entre sistemas ou entre um sistema e sua vizinhança. Trabalha com os estados de equilíbrio e com as propriedades macroscópicas que caracterizam os sistemas. O que é equilíbrio termodinâmico? O que são

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Apesar de hoje em dia ser difícil imaginar um hospital ou consultório sem um termômetro, nem sempre foi assim. Aferir a temperatura foi um grande desafio enfrentado pela humanidade e envolveu muitas pessoas ao longo de vários séculos. Sua história se inicia no século 17, com Galileu Galilei, que inventou seu precursor: o termoscópio. O dispositivo era baseado na expansão e contração do ar em um tubo de vidro. Esse precursor do termômetro não possuía uma escala de graduação, mas utilizava uma esfera de vidro para indicar as mudanças de temperatura.

Em 1612, Santorio Santorio foi o primeiro a tentar medir a temperatura humana com o termoscópio. A pessoa deveria colocar a lâmpada na boca, e o ar quente da respiração fazia com que o ar dentro do tubo se expandisse, empurrando um líquido para fora do tubo. Após um tempo determinado, a lâmpada era removida, o ar esfriava e o líquido subia no tubo, indicando a temperatura. Essa era uma forma simples, mas eficaz, de medir a temperatura corporal na época.

Em 1654, Ferdinand de Medici criou o primeiro termômetro a depender da expansão e contração de um líquido, sendo nesse caso o álcool, que era independente da pressão atmosférica. Os anos seguintes da história do termômetro envolveram diversas propostas sobre como estabelecer uma escala padronizada para medir a temperatura.
A primeira escala a ser adotada foi criada em 1714 com a invenção do termômetro de vidro pelo físico holandês Daniel Gabriel Fahrenheit. Ele produziu termômetros de alta qualidade com mercúrio e uma escala inscrita, que leva seu nome e permitia maior reprodutibilidade.

Esse termômetro de vidro serviu de base para o desenvolvimento da escala Celsius, que foi proposta pelo astrônomo sueco Anders Celsius em 1742. O motivo da escala Celsius ter superado a escala de Fahrenheit em relação a sua adoção como escala padrão mundial foi devido ao seu processo de calibração mais fácil que o anterior, usando simplesmente o ponto de fusão e ebulição da água no nível do mar.

Ademais, há também a escala de Kelvin, que é uma escala absoluta de temperatura, ou seja, aquela que não depende de nenhuma substância específica ou propriedade física para sua definição. Apesar de ela não ser utilizada na medicina, ela é muito utilizada para calibrar alguns aparelhos e em experimentos em laboratórios.

Existem vários nomes associados ao uso clínico do termômetro, mas o Allbutt foi o primeiro a se tornar disponível comercialmente. Sir Thomas Clifford Allbutt disponibilizou o design de seu termômetro gratuitamente para outros médicos, e logo foi adotado pelos profissionais britânicos. A leitura da temperatura estava disponível em 5 minutos e inicialmente era calibrada de 90 a 110 graus na escala Fahrenheit. Posteriormente, os termômetros clínicos passaram a ser marcados com a escala Celsius.

O primeiro termômetro infravermelho foi inventado por William Dubilier em 1947. Ele criou o "Radiomicrometer", que usava um tubo de vácuo e detectores de infravermelho para medir a temperatura sem tocar o objeto. Desde então, vários avanços e aprimoramentos foram feitos na tecnologia e seu uso se tornou extremamente importante durante a pandemia de COVID-19.

Referências:

● CABRAL, P. Breve História da Medição de Temperaturas Breve História da Medição de Temperaturas. Disponível em: <https://www.metroquality.com.br/pastas/artigo/OID3078712/HistoriaMedicaoTemperatura.pdf>.

● GRODZINSKY, E.; SUND LEVANDER, M. History of the Thermometer. Understanding Fever and Body Temperature, p. 23-35, 23 ago. 2019.

● History of Thermometers - It was a container illed with bulbs of varying mass, each with a - Studocu. Disponível em: <https://www.studocu.com/ph/document/caraga-state-university/theories-of-personality-psychology/history-of-thermometers/10920700>. Acesso em: 1 jun. 2023.

● JAEKL, P. The Strange History of the Invention of the Thermometer. Disponível em: <https://time.com/6053214/thermometer-history/>.

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Giovanna Catherine T E R Santi Apesar de hoje em dia ser difícil imaginar um hospital ou consultório sem um termômetro, nem sempre foi assim. Aferir a temperatura foi um grande desafio enfrentado pela humanidade e envolveu muitas pessoas ao...

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As Medições de Temperatura ao Longo dos Anos

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As Medições de Temperatura ao Longo dos Anos

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Alguns investigadores descobriram que a presso do ar, variando com a altitude e condies atmosfricas, afetava a altura da coluna e por isso no se podia confiar no aparelho para medir temperaturas. Na verdade permitia apenas a comparao entre temperaturas.

Na tentativa de evitar tal impreciso, o mdico francs, Jean Rey, inverteu o arranjo, enchendo o bulbo com gua e o canudo com o ar, notando ento a expanso do lquido como medida de temperatura ("as mos de um paciente com febre faziam subir a gua no tubo"), mas seu instrumento era impreciso, porque a evaporao pelo topo aberto do tubo afetava a altura da gua.

Galileu tambm inventou um termmetro baseado na densidade dos lquidos, pois a densidade varia com a temperatura.

Em um tubo de vidro, Galileu colocou algumas esferas de vidro ocas, sendo que a densidade de cada esfera era ajustada conforme a densidade da gua (no caso) em determinada temperatura. A medida da temperatura dada pelas esferas que flutuavam e afundavam.

Para facilitar a medida de temperatura, surgiram escalas termomtricas para a graduao dos termmetros. A graduao era feita de maneira arbitrria o que possibilitou o surgimento de vrias escalas diferentes entre si. Atualmente so utilizadas trsescalas termomtricas.

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Alguns investigadores descobriram que a presso do ar, variando com a altitude e condies atmosfricas, afetava a altura da coluna e por isso no se podia confiar no aparelho para medir temperaturas. Na verdade permitia apenas a comparao entre temperaturas.

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William Thomson, o Lord Kelvin, pioneiro da termodinâmica e criador da escala absoluta.

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Sadi Carnot, O Fundador da Termodinâmica

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Tema 11 - Aplicações das leis: Máquina Térmicas | Experimento - Máquinas a vapor

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Para que um dado sistema realize um processo cíclico através do qual retira certa quantidade de energia, por calor, de um reservatório térmico e cede, por trabalho, outra quantidade de energia à vizinhança, são necessários dois reservatórios térmicos com temperaturas diferentes. Máquina térmica é qualquer dispositivo que permite a um dado sistema realizar um processo cíclico desse tipo.

Uma máquina térmica retira certa quantidade de energia Q ₂, por calor, de um reservatório térmico de temperatura alta T ₂, cede uma quantidade de energia menor Q ₁, também por calor, a um reservatório térmico de temperatura baixa T ₁ e cede uma quantidade de energia W, por trabalho, à vizinhança.

Em cada ciclo, o sistema retorna ao estado inicial: ΔU = 0. Então, pela primeira lei da Termodinâmica, a quantidade de energia W cedida por trabalho à vizinhança pode ser escrita:

Não podemos esquecer que as quantidades W e Q ₂ são positivas e a quantidade Q ₁ é negativa. Nesse contexto, é interessante usar apenas quantidades positivas e, por isso, vamos substituir Q ₁ por − Q ₁. Com isso, a expressão acima fica:

ou, reescrevendo:

Agora, todas as grandezas são positivas. A vantagem de usar apenas quantidades positivas é que fica evidente o balanço energético, isto é, a conservação da energia: da quantidade de energia Q ₂, retirada do reservatório de alta temperatura, a fração Q ₁ é cedida ao reservatório de baixa temperatura e a fração W é cedida à vizinhança.

Para caracterizar a qualidade de uma máquina térmica em transformar a energia retirada do reservatório térmico de alta temperatura por calor em energia cedida à vizinhança por trabalho, definimos o rendimento:

ou, levando em conta a expressão acima:

Pelo enunciado de Kelvin para a segunda lei da Termodinâmica, nenhum sistema pode realizar qualquer processo cíclico cujo único efeito seja retirar, por calor, certa quantidade de energia de um único reservatório térmico e ceder, por trabalho, uma quantidade igual de energia para a vizinhança. Então, devemos ter, sempre, Q ₁ ≠ 0 e também η < 1. O rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 100%.

Portanto, pela segunda lei da Termodinâmica, não podemos construir uma máquina térmica que transforme integralmente a energia retirada do reservatório térmico de alta temperatura por calor em energia cedida à vizinhança por trabalho através de um processo cíclico.
Refrigeradores
Refrigerador é qualquer dispositivo que permite a um dado sistema realizar um processo cíclico através do qual retira certa quantidade de energia, por calor, de um reservatório térmico de temperatura baixa e cede outra quantidade de energia, também por calor, para um reservatório térmico de alta temperatura.

No processo cíclico, é indispensável que o sistema receba certa quantidade de energia como trabalho.

Um refrigerador recebe certa quantidade de energia W, por trabalho, da vizinhança, retira uma quantidade de energia Q ₁, por calor, de um reservatório térmico de temperatura baixa T ₁ e cede uma quantidade maior de energia Q ₂, também por calor, para um reservatório térmico de temperatura alta T ₂.

Em cada ciclo, o sistema retorna ao estado inicial: ΔU = 0. Então, pela primeira lei da Termodinâmica, a quantidade de energia Q ₂, cedida ao reservatório térmico de alta temperatura, pode ser escrita:

Para caracterizar a qualidade de um refrigerador em usar a energia recebida da vizinhança por trabalho para retirar energia do reservatório térmico de baixa temperatura por calor, definimos a eficiência:

ou, levando em conta a expressão acima:

Pelo enunciado de Clausius para a segunda lei da Termodinâmica, nenhum sistema pode realizar qualquer processo cíclico cujo único efeito seja retirar, por calor, certa quantidade de energia de um reservatório térmico com temperatura baixa e ceder, também por calor, igual quantidade de energia a um reservatório térmico com temperatura alta. Então, devemos ter, sempre, W ≠ 0.

Portanto, pela segunda lei da Termodinâmica, não podemos construir um refrigerador que transfira a energia que retira de um reservatório térmico de baixa temperatura para um reservatório térmico de alta temperatura através de um processo cíclico, sem receber energia, por trabalho, da vizinhança.
Máquinas Reversíveis
O processo de condução de energia, isto é, o processo de transferência de energia através de um meio material, sob o efeito de uma diferença de temperatura e sem transporte de matéria, é irreversível. Por esta razão, num ciclo reversível, a troca de energia, por calor, entre o sistema e o reservatório térmico de alta temperatura, deve acontecer através de um processo isotérmico, com a temperatura do sistema igual à temperatura desse reservatório. Do mesmo modo, num ciclo reversível, a troca de energia, por calor, entre o sistema e o reservatório térmico de baixa temperatura, deve acontecer através de um processo isotérmico, com a temperatura do sistema sendo mantida igual à temperatura desse reservatório.

Pela mesma razão, num ciclo reversível, os processos pelos quais a temperatura do sistema varia devem acontecer sem troca de energia por calor, isto é, devem ser adiabáticos.

Em outras palavras, uma máquina térmica reversível, que funciona entre dois reservatórios com temperaturas diferentes, deve operar segundo um ciclo de Carnot. Por isso, as máquinas térmicas reversíveis são também chamadas máquinas de Carnot.

Podemos aplicar a mesma conclusão aos refrigeradores. Sendo assim, um refrigerador reversível, que funciona entre dois reservatórios com temperaturas diferentes, deve operar segundo um ciclo de Carnot. Por isso, os refrigeradores reversíveis são também chamados refrigeradores de Carnot.

Na verdade, quando invertemos o sentido do ciclo de funcionamento de uma máquina térmica reversível, temos um refrigerador reversível e quando invertemos o sentido do ciclo de funcionamento de um refrigerador reversível, temos uma máquina térmica reversível. Estritamente falando, os refrigeradores não deixam de ser máquinas térmicas.

Por outro lado, a definição da escala Kelvin é independente de qualquer propriedade de qualquer substância particular. Por isso, ela é uma escala absoluta. Por essa definição e usando apenas quantidades positivas, temos:

de modo que podemos expressar, em função das temperaturas absolutas dos dois reservatórios térmicos, o rendimento de uma máquina térmica reversível, como segue:

Assim, podemos ver claramente que todas as máquinas térmicas reversíveis que operam entre reservatórios térmicos com as mesmas temperaturas T ₁ e T ₂ têm o mesmo rendimento.

Pelo teorema de Carnot (que não vamos demonstrar), dentre as máquinas térmicas que operam entre reservatórios térmicos com as mesmas temperaturas alta e baixa, aquelas que operam reversivelmente têm o máxino rendimento. Desse modo, qualquer máquina térmica real que opera entre um reservatório térmico de temperatura alta e um reservatório térmico de temperatura baixa tem rendimento menor do que qualquer máquina térmica reversível que opera entre reservatórios térmicos com as mesmas temperaturas alta e baixa.

De modo análogo, a eficiência de um refrigerador reversível pode ser expressa em função das temperaturas absolutas dos dois reservatórios térmicos:

Todos os refrigeradores reversíveis que operam entre reservatórios térmicos com as mesmas temperaturas T ₁ e T ₂ têm a mesma eficiência.

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Para que um dado sistema realize um processo cíclico através do qual retira certa quantidade de energia, por calor, de um reservatório térmico e cede, por trabalho, outra quantidade de energia à vizinhança, são necessários dois reservatórios térmicos com temperaturas diferentes. Máquina t

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Máquinas Térmicas no Período Helenístico

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Máquinas Térmicas no Período Helenístico

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Cómo hacer una Máquina de Vapor Casera (Máquina Térmica Casera/ Motor de Vapor)

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A Primeira Lei da Termodinâmica Explicada

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No nosso dia a dia encontramos vários equipamentos que nos auxiliam como as geladeiras e os carros. Algo em comum entre eles é um motor térmico que gera energia e força para o funcionamento dessas máquinas, em que a maior parte dessa energia é desperdiçada. Mas existe uma teoria, o ciclo de Carnot, que pode explicar melhor esse problema.

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A teoria foi descoberta por Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832), que diz a respeito de uma máquina térmica que realiza um ciclo de rendimento teórico máximo. Dessa forma, estudaremos a seguir sobre esse ciclo, o seu diagrama de etapas termodinâmicas, o teorema, a equação do rendimento e o que seria uma máquina térmica ideal.

Diagrama e etapas do Ciclo de Carnot

Quando uma determinada massa de gás sofre várias transformações e retorna ao seu estado inicial de pressão, temperatura e volume chamamos essa transformação de cíclica. Uma máquina térmica, em geral, é uma combinação de ciclos termodinâmicos e cada um com seu determinado rendimento.

Sadi Carnot então conseguiu propor um ciclo termodinâmico que possui um rendimento teórico máximo. Independentemente da substância gasosa, esse rendimento ocorre em 4 processos termodinâmicos reversíveis: dois isotérmicos e dois adiabáticos. Esse ciclo pode ser observado no diagrama a seguir.

Vamos então entender um pouco sobre esse diagrama.

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Primeira etapa: o gás sofre uma transformação isotérmica (temperatura constante) AB, onde a máquina térmica adquire uma quantidade Q₁ da fonte quente sob a temperatura T₁;

Segunda etapa: ocorre uma expansão adiabática BC, ou seja, não existe troca de calor (Q=0), mas uma diminuição de temperatura de T₁ para T₂;

Terceira etapa: aqui ocorre uma compressão térmica CD. Em outras palavras, a máquina descarta uma quantidade de calor Q₂ para a fonte fria de temperatura T₂ (menor que T₁);

Quarta etapa (finalização do ciclo): compressão adiabática DA. Ocorre sem troca de calor (Q=0), mas existe um aumento de temperatura de T₂ para T₁.

Nos processos adiabáticos a entropia do sistema se mantém constante, pois não existe troca de calor com o meio.

Teorema de Carnot

A partir do diagrama anterior, Carnot conseguiu deduzir um teorema que leva o seu nome. O teorema é apresentado a seguir:

"Nenhuma máquina térmica que opere entre duas dadas fontes, às temperaturas T ₁ e T ₂, podem ter maior rendimento que uma máquina de Carnot operando entre estas mesmas fontes."

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Além disso, todas as máquinas de Carnot apresentam o mesmo rendimento se estiverem operando nas mesmas temperaturas T ₁ e T ₂. Esse teorema pode ser representado por uma equação matemática que é apresentada logo abaixo.

Fórmula

ηCarnot: rendimento de uma máquina de Carnot;

T₁: temperatura da fonte quente;

T₂: temperatura da fonte fria.

A máquina térmica ideal

Uma máquina térmica é considerada ideal se seu rendimento for de 100%. Em outras palavras, toda a energia fornecida a essa máquina seria integralmente convertida em trabalho. Porém, isso é impossível de se acontecer, devido ao rendimento de Carnot.

Para que uma máquina térmica seja considerada ideal, a fonte fria deve estar a zero Kelvin (0K). Mas na natureza isso é impossível. Dessa forma, uma máquina ideal não existe.

Um pouco mais sobre ciclo de Carnot

Para você fixar melhor esse conteúdo e se dar bem nas provas, apresentamos a seguir alguns vídeos sobre o ciclo de Carnot.

Nome do assunto tratado no vídeo

Aqui você tira todas as dúvidas sobre o clico de Carnot que possam ter ficado para trás.

Exemplo de aplicação da equação de rendimento

Para que você entenda como aplicar a equação de rendimento de uma máquina de Carnot, apresentamos esse vídeo com um exemplo dessa aplicação!

Outra aplicação da equação de rendimento

Para que você se saia muito bem nas provas, apresentamos mais um exemplo resolvido sobre o rendimento de uma máquina de Carnot e sua equação!

Por fim, seria interessante a revisão do conteúdo de termodinâmica. Bons estudos!

Referências

As faces da física - Wilson Carron e Osvaldo Guimarães;
Física para o ensino médio, volume 2 - Kazuhito Yamamoto e Luiz Felipe Fuke.

Graduado no curso de Física pela Universidade Estadual de Maringá. Professor assistente em um colégio de ensino médio e preparatório para os vestibulares. Nas horas vagas se dedica à vida religiosa, praticar mountain bike, tocar bateria, dar atenção à família e cuidar de suas duas gatinhas Penélope e Mel.

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Ciclo de Carnot: diagrama, rendimento e máquina térmica ideal

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Como foi possível a idealização de uma máquina térmica ideal? Entenda aqui como Sadi Carnot chegou nessa idealização com um ciclo que leva seu nome.

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Condensação da água: máquina térmica de Savery

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Rudolf J. E. Clausius e a Teoria Geral do Calor

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Rudolf J. E. Clausius e a Teoria Geral do Calor

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Motor à vapor de Thomas Newcomen: Revolução Industrial - Prof.  Silvânio Barcelos

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Química - Ciclo de Carnot e Motor de Carnot (Khan Academy)

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O que é o zero absoluto?

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O na natureza, que zero absoluto é o limite inferior de temperatura núcleo do Sol corresponde à menor temperatura possível a ser atingida e equivale a - 273,15 °C ou 0 K. Deve-se lembrar que não há um limite superior de temperatura, e a existência de temperaturas de valores extremamente elevados é totalmente possível. A temperatura do , por exemplo, é de aproximadamente 15 milhões de graus Celsius.

A definição do zero absoluto foi feita por William Thompson, conhecido como Lord Kelvin. O cientista percebeu que, quando um gás sofre um cessaria. resfriamento isovolumétrico (com volume constante) de 0 °C para - 1 °C, a pressão era diminuída cerca de 1/273 do valor inicial. Portanto, Lord Kelvin entendeu que, ao levar a temperatura do gás até cerca de - 273 °C, a pressão deveria diminuir ao máximo e, por consequência, o movimento das partículas que compõem o gás Para essa temperatura, o cientista determinou o valor 0 K, temperatura na qual a agitação molecular é interrompida.

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Atingindo o zero absoluto
Durante muito tempo, a temperatura que corresponde ao zero absoluto foi considerada inatingível. Entretanto, cientistas da Universidade Ludwig Maximilian, na Alemanha, conseguiram provar que essa temperatura pode ser atingida e até ultrapassada. Isso pode ser realizado por meio de um gás superfrio feito com átomos de potássio. Além de desenvolver o estudo de materiais quânticos, esse gás comporta-se como energia escura e pode ajudar a ciência a compreender a origem e a evolução do universo.
Efeitos do superesfriamento
Quando objetos atingem temperaturas muito baixas, próximas do zero absoluto, ficam basicamente submetidos a três efeitos:

1. Supercondutividade: O material passa a apresentar resistência elétrica praticamente nula.

2. Superfluidez: Movimento livre de um fluido, que pode até subir pelas paredes de um recipiente, desafiando a força da gravidade.

3. Condensação de Bose-Einstein: O condensado de Bose-Einstein é um estado físico da matéria em que um corpo formado por diversas partículas atuaria como um átomo único.

Por Joab Silas
Graduado em Física

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