Conteúdo Abordado
1 Princípio de Joule
1.1 Introdução
1.2 Trabalho
1.3 Calor
1.4 Conservação de Energia
Resumo
1.1 Introdução
Fenomenos térmicos são eventos à nossa volta diariamente e por isso fazem parte da nossa experiência comum. Sentimos as alterações da temperatura aambiente ao longo do dia e percebemos as mudanças climáticas, causadas pelass variações de pressão e termperatura atmosféricas. Reparamos que o fogo é a manifestação mais notável dos processos térmicos cotidianos. Aprendemos que ele pode ser usado para esquentar a água e fazê-la entrar em ebulição e descobrimos sua enorme potencialidade para gerar movimento e trabalho útil.
1.1.1 Equilíbrio termodinâmico
O equilíbrio termodinâmico de um sistema abrange o equilíbrio térmico e outras formas de equilíbrio, que dependem do tipo de sistema termodinâmico em estudo. Um sistema mecânico em equilíbrio termodinâmico encontra-se em equilíbrio térmico e em equilíbrio mecânico.
Quando um corpo quente é colocado em contato com um corpo frio, estabelece-se um fluxo de calor do primeiro para o segundo até o instante em que eles atingem uma situação em que o fluxo cessa. A partir de sse instante os dois corposestão em equilíbrio térmico. O equilíbrio térmico pode ser verificado por meio da medida da temperatura dos corpos. Se os dois corpos tiverem a mesma temperatura eles encontram em equilíbrio térmico. Se diversos corpos estiverem em contato térmico entre si eles estarão em equilíbrio térmico se todos estiverem a mesma temperatura.
1.1.2 Processo termodinâmico
Se um sistema temm seu estado termodinâmico modificado dizemos que ele sofre um processo termodinâmico. No estudo da termodinêmica de equilíbrio nos interessa particularmente os processos cujos estados inicial e final sejam estados de equilíbrio termodinâmico.
Por exemplo, um gás pode ter seu estado termodinâmico modificado de diversas maneiras dependeendo do tipo de parede que delimita o recipiente que encerra o gás. Se as paredes forem rígidas mas permitirem a troca de calor, paredes diatérmicas, o estado do gás poderá ser modificado simplesmente pelo contato do recipiente mais quente. Nesse caso, o gás recebe calor e sua pressão aumenta, enquanto o volume permanece inalterado. Se, por outro lado, as paredes do recipiente não permitirem a troca de calor, paredes adiabáticas, mas forem móveis, o estado poderá ser modificado pelo movimento das paredes. Uma compressão diminuirá o volume do gás aumentado a sua pressão. Se as paredes, além de rígidas, forem adiabáticas, então o gás estará totalmente isolado do exterior e seu estado não será modificado.
No entanto, se imaginarmos agora que a pertubação seja muito pequena então o estado de equilíbrio logo após cada pertubação será muito próximo do estado perturbado de modo que o intervalo de tempo entre duas perturbações poderá ser reduzido. No limite em que as perturbações sejam arbitrariamente pequenas e o número delas infinitamente grande, os estados de equilíbrio sucessivos formarão uma sequência contínua o que define um processo termodinâmico quase-estáticos têm um papel fundamental na termodinâmica de equilíbrio. Um exemplo de processo quase-estático que tenho a mente agora é o processo de envelhecimento do ser humano. Existe mas esse acontece bem devagar.
1.2 Trabalho
O trabalho realizado num processo termodinâmico pode ocorrer de várias formas: Processo Adiabático, Isocórico, Isotérmico e Isobárico. Sendo que em todos os processos o trabalho respeita a primeira lei da termodinâmica que vamos explorar melhor no item 1.4.
Processo Adiabático: Não há transferência de calor nem para dentro nem para fora do sistema: Então temos Q = 0 ; (Ufinal - Uinicial = ΔU = -W processo adiabático).
Expansão adiabática: W > 0 então o sistema realiza trabalho sobre as vizinhanças ΔU < 0 então a energia interna diminui.
Compressão adiabática: W < 0 -> o trabalho é realizado sobre o sistema pelas vizinhanças ΔU > 0 energia interna aumenta.
Isocórico: É quando o volume de um sistema termodinâmico permanece constante, ele não realiza trabalho na vizinhança. W = 0. Assim temos que ΔU = Q, ou seja, toda a energia adicionada ao sistema sob forma de calor permanece no interior contribuindo para o aumento da energia interna.
Isobárico: É quando a pressão de um sistema termodinâmico permanece constante. Em geral, nenhum das três grandezas W, Q , U é igual a zero, entretanto o cálculo é fácil. W = P(Vfinal – Vinicial).
Isotérmica: É um processo com temperatura constante. Para que ele ocorra é necessário que a transferência de calor para dentro ou para fora do sistema seja suficientemente lenta, possibilitando que o sistema permaneça em equilíbrio térmico. Em geral igual a zero.
1.3 Calor
Ao colocarmos um corpo em contato com um outro mais quente, haverá transferência de calor do segundo para o primeiro. Entretanto, nesse procedimento não saberemos quanto calor é transferido de um corpo ao outro. Para transferir uma determinada quantidade de calor a um sistema a outro é necessário uma medição e aí surgiu a grande idéia de Joule.
Veja aqui o experimento por ele realizado.
O calor possui a mesma unidade de medida que o trabalho. No SI – Sistema Internacional ambos são medidos em Joules (J). Uma outra medida para o calor muito usada, mas não pertence ao SI é a caloria (cal), definida como a quantidade de calor necessário para elevar a temperatura de um grama de água de um grau Celsius.
1.5 Princípio da conservação da energia
O princípio de Joule, ou princípio da conservação da energia, afirma que a energia de um estado de equilíbrio independe do processo utilizado para atingí-lo. Essa afirmação também constitui a primeira lei da termodinâmica. Apesar de parecer bastante evidente que o trabalho se transforme em calor, por exemplo, por atrito, não se pode concluir que o trabalho dissipado produza sempre a mesma quantidade de calor. É necessário verificar experimentalmente tal lei, que se resume na determinação do equivalente mecânico do calor.
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