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Leis da Termodinâmica: Como resolver Exercícios

por | 18/02/2022 | 0 Comentários

 

Para dar continuidade aos nossos estudos em termodinâmica, e depois de ter visto alguns dos conceitos fundamentais nas páginas anteriores, o conteúdo desse Caderno do Amigo serão as Leis da Termodinâmica.

Como você já sabe, a termodinâmica é a área da termologia que analisa os processos de troca de calor, a partir das variações da temperatura, da pressão e do volume. Diante disso, é possível identificar como esses fatores interferem nos sistemas físicos.

Nesse conteúdo do Caderno do Amigo, antes de trazer a 1ª e 2ª lei da termodinâmica com exercícios resolvidos, vamos explicar alguns conceitos básicos e fundamentais sobre a terminologia.

É importante ressaltar que o estudo da termodinâmica tem como base quatro leis que foram definidas de forma experimental por cientistas, a partir da relação com algum conceito da termologia. A seguir, vamos explicar como cada uma dessas leis funciona.

Lei zero da termodinâmica

A lei zero diz que todos os corpos trocam calor entre si até que se atinja a condição de equilíbrio térmico. Ela leva esse nome graças ao físico Ralph H. Fowler, sendo criada posteriormente à 1 e 2 lei da termodinâmica.

Isso se deu pois os físicos perceberam que o calor é uma forma de energia que pode ser transformada em outro tipo de energia. Considerando isso, a lei zero da termodinâmica se baseia em três corpos: A, B e C.

Se o corpo A estiver em equilíbrio térmico com o corpo B, logo, o corpo C estará em equilíbrio térmico com os corpos A e B. A partir disso, as temperaturas de A, B e C serão iguais e não ocorrerão mais trocas de calor entre elas.

A lei zero da termodinâmica também se associa à definição de uma escala de temperatura em Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Réaumur, Rankine, Newton e Leiden.

Entre as condições para o equilíbrio térmico, segundo a lei zero, está a influência dos materiais, pois eles podem tornar a condutividade térmica maior ou menor.

Primeira lei da termodinâmica

Seguindo com as leis em ordem, a primeira lei da termodinâmica diz respeito a variação da energia interna de um sistema termodinâmico. É uma das leis mais conhecidas, sendo criada por James P. Joule.

O físico britânico realizou uma experiência que consistia na suspensão de dois corpos pesados, por meio da carretilha, O objetivo era liberá-la.

Como os corpos estavam atraídos pela terra, eles caíram e fizeram a carretilha girar. Esse movimento se transmitia à haste metálica. Por isso, as pás passaram a girar no interior da água.

Como efeito desse movimento das pás, a temperatura do líquido se eleva, o que foi indicado pelo termômetro. Dessa forma, ele observou que é possível elevar a  temperatura de um sistema pela adição de calor ao oferecer trabalho sobre ele.

Com isso, a variação da energia interna se mede pela diferença entre a quantidade de calor por ele absorvido e a quantidade de trabalho por ele, ou sobre ele, realizado.

Em relação à conservação de energia, a fórmula utilizada para descrever essa lei pode ser definida da seguinte forma:

Segunda lei da termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica, criada por Rudolf Clausius, estabelece as condições para que as transformações termodinâmicas ocorram.

Para que um sistema realize converter calor em trabalho, é preciso que ele faça ciclos entres fontes de calor quente e fria de forma sucessiva. 

Dessa forma, acontece a transformação de calor em trabalho por um processo cíclico. A base desse conceito está nos enunciados a seguir:

  • Enunciado pela Entropia: a entropia a é uma medida do número de estados termodinâmicos de um sistema, ou seja, fornece uma medida da aleatoriedade ou da desorganização do sistema;
  • Enunciado de Kelvin: não existe nenhuma máquina que, ao operar em um ciclo termodinâmico, consiga converter toda a quantidade de calor recebido em trabalho;
  • Enunciado de Clausius: de forma espontânea, o calor sempre vai fluir da temperatura maior a um outro corpo de temperatura mais baixa.

Terceira lei da termodinâmica

A última lei, chamada de terceira lei da termodinâmica, surgiu dos estudos de MX Planck e Walther Nerns. Ela respeita o limite inferior da temperatura, o zero absoluto, onde não há como um corpo atingir essa temperatura. 

Assim, quando um sistema se aproxima da temperatura do zero absoluto, todos os processos cessam Como efeito disso, a entropia – medida do estado termodinâmico de um sistema – assume um valor mínimo. 

Além disso, também traz implicações sobre o rendimento das máquinas térmicas, na qual sob hipótese alguma ele poderá ser igual a 100%.

Exercícios resolvidos de termodinâmica

Agora que já te mostramos todas as leis da termodinâmica, fica mais fácil de resolver exercícios relacionados a esse tema.

A seguir você vai encontrar exercícios resolvidos de termodinâmica pelo seu Amigão, aquele que está pronto para te ajudar nos exercícios que você precisa resolver!

Exercício 1

Uma usina a vapor com uma potência líquida de 150 MW consome carvão a uma taxa de 60 tons/h. Considerando que o poder calorífico do carvão corresponde a 30.000 kJ/kg, você deve encontrar a eficiência global e a taxa de calor rejeitado dessa usina.

Resolução de exercício de leis da termodinâmica

Exercício 2

Um ciclo de refrigeração utiliza o refrigerante R-134a como fluido de trabalho. Na entrada do evaporador, a temperatura do refrigerante é -16 ºC e o título é 0,2.

Após receber o fluxo de calor da parte interna do refrigerador, na saída do evaporador o refrigerante sai como vapor superaquecido a uma pressão de 180 kPa e a uma temperatura de -10ºC.

Para as condições estabelecidas, então, qual será a variação de entropia do R134a entre os estados citados?

Resolução de exercício de leis da termodinâmica

 

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