TERMODINÂMICA

 

Máquinas Térmicas: Transformando Calor em Movimento!

Você já se perguntou como um carro se move ou como uma usina gera eletricidade? A resposta está nas máquinas térmicas!

Em termos simples, uma máquina térmica é um dispositivo que tem uma missão especial: converter energia térmica (calor) em trabalho mecânico (movimento). Pense nela como uma "máquina de fazer coisas" usando o calor.

Como funciona? Imagine o seguinte cenário:

1. Fonte Quente (O "Combustível" da Máquina): Para que uma máquina térmica funcione, ela precisa de uma fonte de calor. Pode ser a queima de gasolina em um motor, o vapor de uma caldeira, ou até mesmo o calor gerado em uma usina nuclear. Essa fonte "cede" uma quantidade de calor (que chamamos de Q1​) para a máquina.

2. A Máquina em Ação (O "Coração" do Processo): Dentro da máquina, um "fluido de trabalho" (geralmente um gás) absorve esse calor da fonte quente. Esse gás se expande, empurrando algo (como um pistão em um motor de carro ou as pás de uma turbina). Esse movimento é o trabalho (W) que a máquina realiza. É a energia útil que a máquina produz!

3. Fonte Fria (O "Descarte" de Calor): Um detalhe importante é que nem todo o calor absorvido se transforma em trabalho. Uma parte desse calor (que chamamos de Q2​) é inevitavelmente "rejeitada" para um ambiente mais frio, a chamada fonte fria. Pense no escapamento de um carro soltando gases quentes, ou o calor dissipado por um radiador. Isso acontece porque a natureza tende a buscar um equilíbrio, e não é possível transformar 100% do calor em trabalho útil.

Em resumo, a máquina térmica opera um ciclo onde:

$Q_1\to \text{MÁQUINA TÉRMICA}\to W+Q_2$

Ou seja, o calor da fonte quente (Q1​) é usado para realizar trabalho (W) e a parte que não é convertida é transferida para a fonte fria (Q2​).

Exemplos do dia a dia:

• Motores de carro: Transformam o calor da queima de combustível em movimento das rodas.

• Locomotivas a vapor: Usam o vapor superaquecido para mover as engrenagens.

• Usinas termoelétricas: Queimam carvão, gás ou óleo para aquecer água, gerar vapor e movimentar turbinas que produzem eletricidade.

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Rendimento da Máquina Térmica: Quão Eficiente Ela É?

O rendimento (ou eficiência) de uma máquina térmica é uma medida de quão bem ela consegue transformar o calor que recebe em trabalho útil. Nenhuma máquina térmica é perfeita e sempre haverá alguma perda de energia na forma de calor para a fonte fria.

O rendimento, geralmente representado pela letra grega $\eta$ (eta), é a razão entre o trabalho realizado (W) e o calor total absorvido da fonte quente ($Q_1$).

Fórmula do Rendimento:

η=W/Q1​

Como sabemos que $W=Q_1-Q_2$ (o trabalho é o calor absorvido menos o calor rejeitado), podemos reescrever a fórmula do rendimento da seguinte forma:

η​​=1−Q2/​Q1​​

Para entender melhor:

• Imagine que uma máquina recebe 100 Joules de calor ($Q_1=100\text{ J}$).

• Se ela consegue realizar 30 Joules de trabalho ($W=30\text{ J}$), o restante (70 Joules) é perdido para a fonte fria ($Q_2=70\text{ J}$).

• O rendimento seria η= 30/100​=0,3.

• Para expressar em porcentagem, multiplicamos por 100%: $\eta =0,3\times 100\%=30\%$.

Quanto maior o rendimento, melhor a máquina! Isso significa que ela está convertendo uma parcela maior do calor em trabalho útil e desperdiçando menos energia.

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Rendimento de Carnot: O Limite Teórico da Eficiência - Rendimento Máximo

Aqui chegamos a um ponto crucial da termodinâmica! O engenheiro francês Sadi Carnot, no século XIX, idealizou uma máquina térmica perfeita, que operaria em um ciclo completamente reversível, chamado Ciclo de Carnot.

Características do Ciclo de Carnot:

• É um ciclo teórico, ou seja, uma máquina real nunca conseguirá atingir o rendimento de Carnot. Ele serve como um limite máximo para o rendimento de qualquer máquina térmica operando entre duas temperaturas.

• Envolve apenas duas fontes de calor: uma fonte quente (temperatura T1​) e uma fonte fria (temperatura T2​).

• Todas as transformações (isotérmicas e adiabáticas) são consideradas ideais e reversíveis, sem perdas por atrito ou outras dissipações.

A Grande Descoberta de Carnot (e por que é tão importante):

Carnot provou que o rendimento máximo que uma máquina térmica pode ter, operando entre uma fonte quente de temperatura absoluta T1​ e uma fonte fria de temperatura absoluta T2​, depende APENAS dessas temperaturas, e não do tipo de substância de trabalho ou da construção da máquina.

Fórmula do Rendimento de Carnot (${\eta }_C$):

${\eta }_{max}=1-\frac{T_1}{T_2}$

É ESSENCIAL que as temperaturas ($T_2$ e $T_1$) sejam expressas na escala absoluta de temperatura, ou seja, em Kelvin (K)! Para converter Celsius para Kelvin, basta somar 273,15: $T_K=T_C+273,15$.

Importância para o Ensino Médio:

• Entender os limites: O rendimento de Carnot nos ajuda a compreender por que não podemos ter uma máquina perfeita e por que sempre haverá perdas de energia em qualquer processo de conversão de calor em trabalho.

• Base para a Segunda Lei da Termodinâmica: O conceito do ciclo de Carnot é fundamental para a compreensão da Segunda Lei da Termodinâmica, que, entre outras coisas, estabelece a impossibilidade de processos com rendimento de 100%.

• Comparação: O rendimento de Carnot serve como um "parâmetro de comparação". Ao projetar uma máquina térmica real, os engenheiros sempre buscam se aproximar o máximo possível do rendimento de Carnot para as temperaturas de operação disponíveis.

link para a explicacão  https://youtu.be/cCgv_7HUzPY

EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO

1.PISM  Fernanda e uma estudante de Engenharia da UFJF. O seu laboratório recebeu um motor que possui um ciclo muito particular. Junto com essa máquina térmica, a pessoa que fez o motor enviou um manual técnico no qual fez várias afirmações sobre o funcionamento da máquina, além de um gráfico mostrando o seu ciclo de funcionamento. Esse gráfico pode ser visto na Figura, onde se nota que os pontos "A", "B", "C" e "D" possuem informações de pressão e volume expressas nele. Como Fernanda aprendeu bastante sobre Física Térmica, ela percebeu que das cinco afirmações abaixo que estavam no manual técnico, somente uma e verdadeira. Escolha essa afirmação.

1. O caminho percorrido de "D" para "A" constitui um processo termodinâmico isotérmico.
2. Ao iniciar o ciclo no ponto "A" e seguir através do caminho "ABCDA", esse motor realiza 500 J de trabalho.
3. No ciclo de funcionamento desse motor não existe processo termodinâmico a volume constante.
4. Sabendo que a substância de trabalho desse motor e 1,0 mol de um gás ideal e conhecendo a constante universal dos gases ideais, R = 8,3 J/(mol.K), é possível obter a temperatura do ponto "A".
5. Basta conhecer as temperaturas máxima e mínima de funcionamento desse motor para descobrir o seu rendimento.

 link para resolução  https://youtu.be/Z7bKZBRAhUw

2.UFU Um estudante projeta um experimento no qual se colocam dois copos iguais, com a mesma quantidade de água, no interior de uma caixa de capacidade térmica desprezível, isolada do ambiente; um copo está com água fria a 10°C, e o outro com água quente a 80°C. O estudante afirma que, após decorridos alguns instantes, o copo com água fria baixará sua temperatura para 5°C, e o copo com água quente aumentará sua temperatura para 85°C. A ideia do estudante está 

A) errada, pois contraria a Segunda Lei da Termodinâmica. 

B) certa, pois concorda com o princípio da conservação de energia. 

C) certa, pois concorda com a Lei Zero da Termodinâmica. 

D) errada, pois contraria princípio do equivalente mecânico da caloria. 

 Link para o vídeo https://youtu.be/tKU9OJG_rgc 

3.ITA Considere um sistema de três máquinas térmicas M₁ , M₂ e M₃ acopladas, tal que o rejeito energético de uma é aproveitada pela seguinte. Sabe-se que a cada ciclo, M₁ recebe 800 KJ de calor de uma fonte a 300 K e rejeita 600 KJ, dos quais  150 KJ são aproveitados por M₂ para realização de trabalho. Por fim, M₃ aproveita o rejeito de M₂ e descarta 360 KJ em uma fonte fria a 6 K. São feitas as seguintes afirmações:

 I .  É inferior a 225 K a temperatura da fonte fria de M₁.

II. O rendimento do sistema é 55%.

III. O rendimento do sistema corresponde a 80 % do rendimento de uma máquina de Carnot operando entre as mesmas temperaturas.

 Conclui-se então que

 a)       Somente a afirmação I está incorreta.

b)      Somente a afirmação II está incorreta.

c)       Somente a afirmação III está incorreta.

d)      Todas as afirmações estão incorretas.

e)      as afirmações I e III estão incorretas.

link para resolução  https://youtu.be/jw75MPpIoVU

4.ESPCEX As máquinas térmicas operam em ciclos, entre duas fontes de calor e realizam trabalho. Com relação a essas máquinas, podemos afirmar que  

 [A] para haver rendimento, o trabalho realizado por elas deve ser maior do que a quantidade de calor cedida à fonte fria. 

[B] todas têm o mesmo rendimento máximo, se operarem de acordo com o ciclo de Carnot. 

[C] mesmo com o rendimento máximo, o calor que elas recebem da fonte quente não pode ser totalmente convertido em trabalho. 

[D] o seu rendimento é o máximo possível quando o calor recebido da fonte quente for máximo. 

[E] o seu rendimento é o máximo possível quando as temperaturas da fonte quente e da fonte fria são iguais.

Link para a resolução  https://youtu.be/TZAZAuom7b8

5.FUVEST  No diagrama P x V da figura, A, B e C representam transformações possíveis de um gás entre os estados I e II.

Com relação à variação ΔU da energia interna do gás e ao trabalho W por ele realizado, entre esses estados, é correto afirmar que

A.   ΔU_A = ΔU_B = ΔU_C e W_C > W_B > W_A. 

B.   ΔU_A > ΔU_C > ΔU_B e W_C = W_A < W_B. 

C.   ΔU_A < ΔU_B < ΔU_C e W_C > W_B > W_A. 

D.   ΔU_A = ΔU_B = ΔU_C e W_C = W_A > W_B. 

E.   ΔU_A > ΔU_B > ΔU_C e W_C = W_B = W_A.

link para resolução  https://youtu.be/_ugHDsALcRk

6.ENEM Um fabricante de termômetros orienta em seu manual de instruções que o instrumento deve ficar três minutos em contato com o corpo para aferir a temperatura. Esses

termômetros são feitos com o bulbo preenchido com mercúrio conectado a um tubo capilar de vidro. De acordo com a termodinâmica, esse procedimento se justifica, pois é necessário que

a) o termômetro e o corpo tenham a mesma energia interna.

b) a temperatura do corpo passe para o termômetro.

c) o equilíbrio térmico entre os corpos seja atingido.

d) a quantidade de calor dos corpos seja a mesma.

e) o calor do termômetro passe para o corpo.

link para resolução no tempo 2:44   https://youtu.be/_ugHDsALcRk

EXERCÍCIOS PROPOSTOS

1.UFU Em um motor de automóvel, a mistura de combustível com ar é comprimida pelo pistão antes da ignição a uma taxa de 10,0 para 1,0, ou seja, o volume final do cilindro é 10 vezes menor que o volume inicial, como mostrado na figura abaixo (figura fora de escala).

Considere que não haja trocas de calor entre a mistura no interior do cilindro e sua vizinhança, que as dimensões do equipamento não sofram variações significativas com a temperatura, e que a mistura tenha comportamento semelhante ao de um gás ideal e faça o que se pede.

A) Se a pressão inicial e a temperatura inicial valem 1,5 atm e 127°C respectivamente, e a pressão final é de 30 atm, calcule, em graus Celsius, a temperatura da mistura na situação final.

B) Explique a variação de temperatura sofrida pela mistura.

 link para resolução  https://youtu.be/8BQgXbf-t34

2.UNIFESP Um gás monoatômico ideal está confinado em um recipiente e sofre a transformação cíclica ABCA indicada no diagrama P × V, em que BC é uma transformação isotérmica.

Sabendo que a temperatura do gás no estado A é 300 K e adotando, para a constante universal dos gases ideais, o valor 8 J/(mol ⋅ K), calcule:

a) o trabalho, em joules, realizado pelas forças que o gás exerce sobre as paredes do recipiente na transformação AB e na transformação CA.

b) o número de mols de gás existente dentro do recipiente e a pressão, em N/m2, exercida pelo gás no estado B.

link para resolução  https://youtu.be/YmwKyLjzGBE

RESPOSTAS

EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO

1.D    2.A    3.E    4.C    5.A    6.C

EXERCÍCIOS PROPOSTOS

1.A. 527°C  B. Compressão W<0, adiabática Q=0, aquecimento ΔU > 0; compressão coloca energia sob forma de trabalho no sistema, como não há troca de calor com o meio externo, adiabática, essa energia ´e convertida em energia interna, aumento de temperatura.     2.A. -1200J     B.0,25 mol