A lei zero da termodinâmica pode ser entendida da seguinte forma: “se um corpo A está em equilíbrio térmico com um corpo B e este último com um corpo C, então o corpo A está em equilíbrio com C ”.
A primeira lei relaciona a energia interna (ΔU) de um corpo com o calor cedido (Q) e o trabalho realizado (τ) da seguinte maneira: ΔU = ΔQ – τ.
E a unidade no sistema internacional
de energia, calor e trabalho é o Joule(J).
A segunda lei da termodinâmica é a mais importante para entendermos o funcionamento de uma máquina térmica. A segunda lei da termodinâmica que é enunciada da seguinte forma: “uma máquina térmica operando em ciclos, ao retirar calor de uma fonte quente utiliza parte dele para realizar trabalho e o restante rejeita para uma fonte fria”.
Podemos expressar matematicamente da
seguinte formulação: |τ| = |Q1| – |Q2|
Desta equação poderemos conceituar a eficiência de uma máquina térmica. O rendimento, assim também conhecido, pode ser calculado pela razão entre o trabalho efetuado pela máquina e o calor cedido pela fonte quente.
Poderemos então compreender melhor
esses conceitos com exemplos:
1) O esquema a seguir representa o ciclo
de operação de determinada máquina térmica cujo combustível é um gás.
Quando em funcionamento, a cada ciclo o gás absorve calor (Q1) de uma fonte quente, realiza trabalho mecânico (τ) e libera calor (Q2) para uma fonte fria, sendo a eficiência da máquina medida pelo quociente entre τ e Q1. Uma dessas máquinas, que, a cada ciclo, realiza um trabalho de 3x104 J com uma eficiência de 60%, foi adquirida por certa indústria.
Em relação a essa
máquina, conclui-se que os valores de Q1,
de Q2 e da variação da
energia interna do gás são, respectivamente:
(A) 1,8x104 J; 5x104 J; 3,2x104 J
(B) 3x104 J; zero; zero
(C) 3x104 J; zero; 3x104 J
(D) 5x104 J; 2x104 J; zero
(E) 5x104 J; 2x104 J; 3x104 J
Resolução:
Para resolvermos qualquer exercício de
física, devemos seguir alguns passos:
1° Passo - Separar todos os dados das
grandezas físicas existentes:
2° Passo – Identificar as formulações
matemáticas possíveis para utilização no exercício:
3° Passo – Comparar os dados do 1°
passo com os do 2° passo substituindo onde necessário:
Ao acharmos o valor de Q1,
substituímos na equação da segunda lei da termodinâmica para acharmos o valor
de Q2.
Para finalizarmos o exercício falta
ainda resolver a energia interna. O calor do problema é a variação da parte
quente com a parte fria, então podemos calcular Q da seguinte forma:
Substituindo na primeira lei da
termodinâmica, obtemos o valor da energia interna:
Resposta: D
b) a variação da energia interna é igual à quantidade de energia transferida à substância de operação?
Se ΔU = ΔQ então τ = 0; nesse caso, a energia transferida à substância, na forma de calor, teria apenas variado sua energia interna.
Câmara de Refrigeração
Como já estudamos o movimento do
calor, podemos notar que existem vários instrumentos do nosso cotidiano que se
prevalece das teorias físicas do calor para funcionar.
Em nossa casa, por exemplo, temos a
geladeira que é uma ótima máquina térmica para nosso estudo. A sua função da
geladeira é manter resfriado tudo que estiver em seu interior. A parte da
geladeira responsável por esse resfriamento é o congelador, que é por onde
passa o gás sob alta pressão e baixa temperatura. Os alimentos que estiverem em
seu interior, irão entrar em equilíbrio térmico com o congelador, cedendo
energia térmica ao mesmo.
A teoria física por trás do
funcionamento do refrigerador é a convecção que estudamos anteriormente. Devido
à diferença de densidade entre o ar frio e o ar quente dentro da geladeira, irá
ocorrer a troca de posição entre eles, pois a ação gravitacional ira atrair o
mais denso e então a parte inferior da geladeira é resfriada.
Por esse motivo localiza-se o
congelador na parte superior da geladeira.
O refrigerador transfere energia, na
forma de calor, de seu ambiente interno para o externo. Como o primeiro está a
uma temperatura menor que o segundo, esse processo não ocorre naturalmente.
Para ser realizado, há a necessidade de uma fonte de energia, que, atualmente,
é a elétrica. Uma vez que este processo não é espontâneo, está de acordo com a
segunda Lei da Termodinâmica.
Se o calor não sai
espontaneamente de um corpo frio para um corpo quente, nós vamos forçá-lo a
sair! Em vez de o gás realizar trabalho, nós realizaremos trabalho sobre ele!
Como isso é feito? Trata-se de outro processo em que ocorrem transformações
gasosas. Sabemos que, quando expandimos um gás, sua pressão diminui, assim como
sua temperatura. Por um cano fino que passa pelo interior da geladeira, um gás
é solto e se expande a baixa pressão.
Nessa expansão, a temperatura
do gás diminui. Com isso, o gás retira calor do ambiente que está a sua volta,
ou seja, vapor d’água do interior da geladeira. Um compressor que está na geladeira
comprime o gás (freon, em geral) que se encontra numa câmara. Você pode
observar que atrás de sua geladeira existe outro cano, fino e comprido, por
onde o gás sai do interior da geladeira. Ele libera o calor para a atmosfera,
para novamente repetir o processo.
Motor de Quatro Tempos
Outro exemplo do cotidiano e que
envolve as aplicações das leis da termodinâmica são os motores de quatro
tempos, assim chamados, pois possuem quatro estágios para transformar energia
fornecida em forma de calor pela queima do combustível em trabalho mecânico. O
principio básico de um motor a combustão interna é colocar uma pequena
quantidade de combustível (gasolina, álcool, diesel etc.) e queimá-lo, gerando
uma quantidade enorme de energia em forma de calor e de gases em violenta
expansão.
Ao se criar um dispositivo capaz de
controlar e disparar essas explosões, podemos utilizar essa energia para
movimentar um eixo e uma roda. Máquina que transforma calor em movimento,
chamada de motor.
O motor suga uma quantidade de mistura ar/combustível e a comprime com o pistão dentro do cilindro, depois dispara uma faísca no momento exato, incendiando a mistura, a queima do combustível nessas condições causa um aumento de temperatura e pressão. Essa energia empurra os pistões que através das bielas fazem girar o virabrequim, ao final os gases queimados são expelidos pelo escapamento e o ciclo recomeça. O controle dos tempos é feito através do comando de válvulas e de ignição.
Os quatro estágios funcionais de um motor de automóvel são os seguintes:
1° Tempo admissão, o pistão começa no
PMS (Ponto Morto Superior). A válvula de admissão abre e o pistão desce para o
PMI (Ponto Morto Inferior), sugando a mistura ar/combustível devido ao aumento
do volume do cilindro e à baixa pressão constante e consequente resfriamento, ao
final a válvula de admissão é fechada;
2° Tempo compressão, a
válvula de admissão fecha, e o pistão sobe do PMI (Ponto Morto Inferior) de
volta ao PMS (Ponto Morto Superior), comprimindo a mistura (queda de volume e aumento de pressão e temperatura) e aumentando a sua
eficiência (energia interna) para a combustão. As válvulas de admissão e escape estão fechadas;
3° Tempo combustão, as
válvulas de admissão e escape continuam fechadas. No momento certo, o sistema
de ignição envia eletricidade à vela de ignição, que dispara uma faísca (não há alteração de volume). A mistura ar/combustível
se incendeia, esquentando e gerando uma alta pressão, empurrando violentamente
o pistão para baixo. Este é o único tempo que há a realização de trabalho, todos os outros são
como parasitas, necessários para que o motor complete o ciclo. No final desse
tempo, a válvula de escape abre;
4° Tempo exaustão ("escape"), quando o
pistão passa pelo PMI (Ponto Morto Inferior), a válvula de escape abre e o
pistão sobe, empurrando os gases queimados para fora do ciclo. A válvula de
admissão está fechada. Depois dessa "limpeza", o cilindro pode então
ser novamente preenchido com mistura nova, recomeçando o ciclo.
E por fim, uma transformação cíclica é aquela em que o conjunto de transformações sofridas pelo sistema de tal forma que seus estados final e inicial seja igual.
Se o trabalho em um ciclo e a
quantidade de calor for positivo, o sistema recebe calor e realiza trabalho, em
um ciclo de sentido horário, implica que é o processo de uma máquina térmica em
execução. Se o trabalho e a quantidade de calor em um ciclo forem negativos,
sistema cede calor e recebe trabalho, e em sentido anti horário, implica que o
processo é de um refrigerador.
Atividades:
1) Julgue
cada afirmativa como verdadeira (V) ou falsa (F):
a) Num motor
de automóvel é na explosão da mistura de ar e combustível é que a energia do
combustível é transformada para que o motor entre em funcionamento, isto é,
produza movimento. ( )
b) Os gases
resultantes da queima do combustível que realizam o trabalho num motor de
automóvel. ( )
c) No
cilindro do motor de automóvel é que o combustível queima realizando o trabalho
de empurrar o pistão. ( )
d) Num motor
de automóvel, a pressão exercida pelas moléculas dos gases sobre as paredes do
cilindro move o pistão. ( )
e) A vela de
ignição no motor de um automóvel origina uma faísca elétrica que causa explosão
da mistura de ar e combustível no cilindro do motor. ( )
f) Em um
motor de combustão interna, os gases resultantes da explosão atingem a pressão
aproximadamente 20 vezes maior que a pressão atmosférica, e a temperatura é
cerca de 500 oC. ( )
g) No pistão
de um motor de automóvel a energia química é transformada em energia mecânica.
( )
h) O
automóvel precisa de vários pistões para que sempre um esteja na fase de
explosão, responsável pelo movimento. (
)
i) No
processo de admissão de um motor depois de fechado a válvula, a pressão
permanece constante, porém variando a temperatura e o volume, esse processo é
isobárico. ( )
j) No
processo de compressão de um motor o volume diminui e no processo de combustão
há uma grande elevação da temperatura e pressão, mantendo o volume constante,
por isso a combustão é um processo isovolumétrico. ( )
k) É um
processo adiabático a compressão no motor de um automóvel, pois não há
transferência de energia nem realização de trabalho. ( )
l) Na
combustão é admitido um processo adiabático também quando retorna do seu
processo de expansão.
( )
m) No
processo de exaustão de um motor de automóvel há diminuição do volume e alteração
da temperatura, mantendo-se a mesma pressão, logo é um processo isobárico.
( )
n) Qualquer máquina térmica, ao receber calor, executa a
sua função de realizar trabalho e perde calor para uma fonte fria. ( )
o) É impossível construir uma máquina térmica que, operando em ciclos,
transforme em trabalho toda a energia a ela fornecida na forma de calor. ( )
p) As máquinas térmicas transformam em trabalho todo o calor fornecido a elas. ( )
q) Se um sistema pudesse atingir o zero absoluto (zero kelvin), seria possível uma máquina térmica ter rendimento de 100%. ( )
r) Se um gás recebe 50.000 calorias e realiza um trabalho equivalente a 70.000 calorias, sua temperatura diminui. ( )
s) As geladeiras são máquinas térmicas que transferem calor de um sistema em menor temperatura para o meio exterior, que se encontra a uma temperatura mais alta. ( )
2) Relacione
as características de cada uma das etapas do processo de funcionamento de um
motor.
(1) Admissão
(2) Compressão
(3) Combustão
(4) Exaustão
( ) Há uma força comprimindo a mistura para
gerar um aumento de pressão.
( ) Uma mistura de combustível e ar é
injetada, por uma válvula que é fechada
e no interior do cilindro de combustível
é gerado uma pressão.
( ) A vela de
ignição solta uma faísca e inflama a
mistura, que está extremamente comprimida, provocando uma explosão. Com a
explosão da mistura produz-se gases à alta temperatura e pressão, gerando
movimento no pistão.
( ) Uma válvula é aberta, após alta pressão e
temperatura, expelindo os gases e reiniciando um ciclo.
3) Identifique as formas e as
transformações envolvidas em cada uma das etapas do processo de
funcionamento de um motor a explosão (combustão).
(1) Admissão
(2) Compressão
(3) Acendimento da vela de ignição
(4) Movimento do Pistão
(5) Exaustão
( ) Energia química da mistura combustível e ar em transformação gasosa isobárica.
( ) Energia química da mistura em transformação adiabática e aumento
da energia interna do sistema.
( ) Energia química da combustão em energia interna do sistema.
( ) Energia interna do sistema em energia de
movimento na forma de trabalho.
( ) Energia mecânica gera aumento de energia interna do vapor de água.
4) Calcule o trabalho
realizado pelo motor de geladeira que retira 1.000 cal do congelador e joga no
ambiente 1.200 cal.
5) Qual é o rendimento máximo
de uma máquina térmica que opera entre a temperatura de 27oC e 227oC?
(Dica: para usar a equação de rendimento, a temperatura deve estar em Kelvin)
6) Um motor térmico realiza 20
ciclos por segundo. A cada segundo, ele retira 800 J da fonte quente e cede 500
J à fonte fria. Calcule:
a) o rendimento de cada ciclo;
b) a temperatura da fonte
quente, sabendo que a fonte fria está a 27oC.
7) Uma
máquina térmica executa para cada ciclo um trabalho de 2.000 J, e possui um rendimento
de 30 %. Para cada ciclo, quanto de calor é absorvido?
8) Relacione as transformações gasosas de cada uma das etapas do processo de funcionamento de um motor.
(1) Admissão
(2) Compressão
(3) Combustão
(4) Exaustão
( ) Isobárica
( ) Adiabática
( ) Isocórica e Adiabática
( ) Isocórica e Isobárica
9) (ENEM-2016) O motor de combustão interna, utilizado no transporte de pessoas e cargas, é uma máquina térmica cujo ciclo consiste em quatro etapas: admissão, compressão, explosão/expansão e escape. Essas etapas estão representadas no diagrama da pressão em função do volume. Nos motores a gasolina, a mistura ar/combustível entra em combustão por uma centelha elétrica.
Para o motor descrito, em qual
ponto do ciclo é produzida a centelha elétrica?
(A) A
(B) B
(C) C
(D) D
(E) E
Essa é uma questão sobre Ciclo de Otto. Motores à combustão de quatro
tempos funcionam de acordo com o gráfico, que é um Ciclo de Otto, que analisa
as pressões e volumes de uma câmara de combustão. Vamos analisar o gráfico:
De A a B há um aumento de volume da câmara de combustão, a uma pressão
constante. Está ocorrendo a admissão: a mistura ar/combustível está entrando na
câmara.
De B a C ocorre a compressão: o pistão comprime a mistura
ar/combustível, fazendo com que o volume da câmara diminua e a pressão aumente.
De C a D observamos que a pressão aumenta mas o volume continua o
mesmo. Significa que nessa etapa (que dura uma fração de segundo) o pistão não
se move, mantendo o volume igual, e em C ocorreu a centelha que
resultou em uma explosão, produzindo gases (e por isso o aumento da pressão).
De D a E ocorre a expansão, onde o pistão aumenta o volume da câmara,
permitindo os gases expandirem, e assim a pressão diminui.
De E a B o pistão continua mantendo o volume da câmara mas uma válvula
libera os gases.
De B a A o pistão diminui o volume da câmara, eliminando o restante dos
gases e voltando a posição inicial do ciclo.
10) (ENEM-2016) Até 1824
acreditava-se que as máquinas térmicas, cujos exemplos são as máquinas a vapor
e os atuais motores a combustão, poderiam ter um funcionamento ideal. Sadi
Carnot demonstrou a impossibilidade de uma máquina térmica, funcionando em
ciclos entre duas fontes térmicas (uma quente e outra fria), obter 100% de
rendimento.
Tal limitação ocorre porque essas máquinas:
(A) realizam trabalho
mecânico.
(B) produzem aumento da
entropia.
(C) utilizam transformações
adiabáticas.
(D) contrariam a lei da
conservação de energia.
(E) funcionam com temperatura
igual à da fonte quente.
A entropia, unidade [J/K] (joules por kelvin), é
uma grandeza termodinâmica que
mede o grau de liberdade molecular de um sistema, e está associado ao seu
número de configurações (ou microestados), ou seja, de quantas maneiras as
partículas (átomos, íons ou moléculas) podem se distribuir em níveis
energéticos quantizados, incluindo translacionais, vibracionais, rotacionais, e
eletrônicos. Entropia também é geralmente associada a aleatoriedade, dispersão
de matéria e energia, e "desordem" de
um sistema termodinâmico.
A entropia é a entidade física que rege a segunda lei da termodinâmica, a qual
estabelece que a ela deve aumentar para processos espontâneos e em sistemas
isolados. Para sistemas abertos, deve-se estabelecer que a entropia do universo
(sistema e suas vizinhanças) deve aumentar até atingir um valor máximo no
estado de equilíbrio.
11) (ENEM-2013) Aumentar a eficiência na queima de combustível dos motores a combustão e reduzir suas emissões de poluentes é a meta de qualquer fabricante de motores. É também o foco de uma pesquisa brasileira que envolve experimentos com plasma, o quarto estado da matéria e que está presente no processo de ignição. A interação da faísca emitida pela vela de ignição com as moléculas de combustível gera o plasma que provoca a explosão liberadora de energia que, por sua vez, faz o motor funcionar.
Disponível em: www.inovacaotecnologica.com.br. Acesso em: 22 jul. 2010 (adaptado).
No entanto, a busca da eficiência referenciada no texto apresenta como
fator limitante:
(A) o tipo de combustível, fóssil, que
utilizam. Sendo um insumo não renovável, em algum momento estará esgotado.
(B) um dos princípios da termodinâmica,
segundo o qual o rendimento de uma máquina térmica nunca atinge o ideal.
(C) o funcionamento cíclico de todos os
motores. A repetição contínua dos movimentos exige que parte da energia seja
transferida ao próximo ciclo.
(D) as forças de atrito inevitável entre as
peças. Tais forças provocam desgastes contínuos que com o tempo levam qualquer
material à fadiga e ruptura.
(E) a temperatura em que eles trabalham. Para
atingir o plasma, é necessária uma temperatura maior que a de fusão do aço com
que se fazem os motores.
12) Definimos como máquina térmica um conjunto de transformações termodinâmicas que acontecem numa ordem específica, com o objetivo de transformar energia térmica em trabalho. Podemos destacar a máquina a vapor, a máquina de Heron, os motores de automóveis. Existe uma máquina térmica, porém, que funciona transformando trabalho em energia térmica. Qual é essa máquina?
(A) Ferro de passar roupa.
(B) Chuveiro elétrico.
(C) Fogão.
(D) Geladeira.
13) É possível dizer que o princípio de funcionamento de um refrigerador está de acordo com a segunda lei da termodinâmica no seguinte aspecto: "Espontaneamente, os objetos mais quentes transferem energia, na forma de calor, para os mais frios"?
(A) Não, pois o refrigerador transfere energia, na forma de calor, de seu ambiente externo para o interno.
(B) Não, como um primeiro ambiente está a uma temperatura maior que o segundo, esse processo não ocorre naturalmente.
(C) Sim, pois a fonte de energia térmica recebe calor do ambiente externo e cede para o interno de forma não espontânea.
(D) Sim, pois existe uma fonte de energia elétrica (não espontânea) que alimenta um motor que transfere energia, na forma de calor, de seu ambiente interno de menor temperatura para seu ambiente externo de maior temperatura.
14) Um motor só poderá realizar trabalho se receber uma quantidade de energia de outro sistema. No caso, a energia armazenada no combustível é, em parte, liberada durante a combustão para que o aparelho possa funcionar. Quando o motor funciona, parte da energia convertida ou transformada na combustão não pode ser utilizado para a realização de trabalho. Isso significa dizer que há vazamento da energia em outra forma.
CARVALHO, A. X. Z. Física Térmica. Belo Horizonte:
Pax, 2009 (adaptado).
15) (ENEM-2011) De acordo com o texto, as
transformações de energia que ocorrem durante o funcionamento do motor são
decorrentes de a:
(A) liberação de calor dentro
do motor ser impossível.
(B) realização de trabalho
pelo motor ser incontrolável.
(C) conversão integral de
calor em trabalho ser impossível.
(D) transformação de energia
térmica em cinética ser impossível.
(E) utilização de energia
potencial do combustível ser incontrolável.
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Google:
1) Quais as diferenças existentes
entre os motores a gasolina e a diesel para produção de movimento?
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