segunda-feira, junho 20, 2005

Trocas de calor e as Leis da Termodinâmica

Eu defendo a idéia de explicar desde sempre a troca de calor como calor Q1 sendo recebido e calor Q2 sendo cedido. Isso só vai simplificar. Veja:

Em um sistema fechado um corpo A cede calor a um corpo B de temperatura mais baixa, a troca de calor prossegue até que ambos atinjam o equilíbrio térmico.
Descrição correta, porém ficam algumas dúvidas: como é que A “sabia” que devia ceder calor a B ? como foi que eles ficaram “sabendo” que as temperaturas já haviam se igualado, e que deviam “parar” de trocar calor?
Uma descrição mais completa, portanto seria:

Em um sistema fechado, um corpo A irradia calor em função de sua temperatura, esse calor irradiado é refletido pelas paredes do recipiente, suposto perfeitamente adiabático, e parte dele incide novamente em A (e por isso não entra na “conta”) e parte dele incide em B, de forma que se dizer que A cede ou perde uma quantidade de calor Q(a), que é absorvida por B . O corpo B também irradia calor, parte do calor irradiado por B incide sobre ele mesmo, sendo reabsorvido (e por isso não entra na “conta”), e parte dele atinge A, dessa forma dizemos que B cede uma quantidade de calor Q(b) que é absorvido por A.
Dessa forma as trocas de calor entre A e B ocorrem da seguinte forma:
A cede uma quantidade de calor Q(a) e recebe Q(b); assim a quantidade de calor efetivamente trocada por A é Q = Q(b) – Q(a)
Assim se A ceder mais do que recebe, a quantidade de calor trocada é negativa e dizemos que A perdeu ou cedeu calor. Se A receber mais do que cede então dizemos que a quantidade de calor trocada é positiva e que A recebeu uma quantidade de calor Q.
O mesmo vale para o corpo B. Sendo para esse a troca efetiva de calor:
Q = Q(a) – Q(b)

Ou seja, em qualquer caso, a quantidade de calor trocada será:
Q = Q(recebido) – Q(cedido)

Assim podemos explicar como pode existir quantidade de calor negativa, sendo que a energia nunca é negativa. Acontece que as quantidades Q(a) e Q(b) são sempre quantidades positivas, a diferença entre elas é que pode ser positiva ou negativa, ou seja, a troca de calor pode ser negativa ou positiva.
Ou seja:
Se Q(recebido) > Q(cedido) então Q > 0 e dizemos que o corpo está recebendo calor ou absorvendo calor
Se Q(recebido) < Q(cedido) então Q <0 e dizemos que o corpo está perdendo ou cedendo calor Explicado assim também fica fácil de explicar que ninguém precisa avisar os corpos do sistema qual deles é mais quente e que deve ceder calor. As trocas ocorrem naturalmente, cada um emitindo calor conforme sua temperatura, e recebendo dos demais. Ninguém precisa avisar a hora de parar de trocar calor, porque a troca não pára, ela prossegue mesmo após o equilíbrio térmico. Ocorre apenas que nessa situação a quantidade de energia emitida ou cedida é igual à quantidade de energia recebido, assim: Q = Q(recebido) – Q(cedido) , sendo Q(recebido) = Q(cedido) , vem que: Q = 0

As Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica ficam fáceis de explicar também:

Um sistema termodinâmico recebe uma quantidade de calor Q1 e cede uma quantidade de calor Q2. Nesse processo sofre uma variação da energia /\U interna e realiza ou recebe uma trabalho W.

De acordo com a Primeira Lei a energia deve ser conservar, portanto:

Q1 = Q2 + /\U + W
Ou seja:

Q1 – Q2 = /\U + W

Sendo que Q1 – Q2 é a quantidade de calor trocada entre o sistema e a vizinhança, portanto Q1 – Q2 = Q

Então: Q = /\U + W que leva na forma mais conhecida: /\U = Q – W

A Segunda Lei.

Uma máquina térmica trabalha em ciclos, e num ciclo completo o sistema retorna ao estado inicial, portanto /\U = 0, e dessa forma W = Q. Isso pode levar a uma conclusão absurda, a de que a máquina transforma todo calor recebido em trabalho.
Mas lembrando que Q = Q(recebido) – Q(cedido) vem que :

Q1 – Q2 = W e que Q1 = W – Q2

Ou seja, nem todo calor recebido (Q1) se converte em trabalho, pois sempre existe um calor cedido ou rejeitado (Q2)

E o rendimento: R = W/Q1 sempre < 1; e ninguém agora vai cometer a burrice de fazer R = W/Q = 1 já que W=Q.

Ficou claro?

9 comentários:

Anônimo disse...

oii tudo beem ? já que vc adora essa fisica que Deus me livre me ajuda a falar sobre trocas de calor ...PLEASE...
EU TBM ADORO FISICA,QUIMICA E MATEMATICA...MAS fisica é só quando eu seiiiiiiiiiiiiiiii
please ?
email: tauimaia@hotmail.com
beijoos

Sandro disse...

Experimente ver os seguintes sites:
Site Feira de Ciências - sala de Física Térmica:
http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/index8.asp

Destaco o artigo: Gelo, água e vapor postos a trabalhar:
http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/HC_01.asp
são quatro partes

Mapa conceitual do Calor (pode ser útil em algum tipo de apresentação):
http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_41.asp

Site Algo Sobre - Calorimetria e mudanças de temperatura (calor sensível)
http://www.algosobre.com.br/fisica/calorimetria-mudancas-de-temperatura.html

Site Algo Sobre - Calorimetria e mudança de estado físico (calor latente)
http://www.algosobre.com.br/fisica/calorimetria-mudanca-de-estado-fisico.html

ines disse...

ola, tenho uma duvida e nao consigo encontrar em lado nenhum!!

Nas trocas de energia entre o sistema e a vizinhança, o sistema cede ou recebe energia?

A energia dissipada corresponde sempre à cedência de energia pelo sistema?


é urgentissimo... meu e mail é inex61@hotmail.com.
preciso de resposta !!! pf

Sandro disse...

Inês, veja isso:
http://br.geocities.com/alahurakbar/aulas/Fisica/termodinamica/terrmodinamica2.html
São slides, clique nas imagens para avançar...
Veja que o sistema tanto pode receber como pode ceder calor.
Se o sistema recebe calor (energia) então a temperatura aumenta. Se o sistema cede ou perde calor, a temperatura diminui...

PáRaaaa.....Só..Tem fOtU.pRetA E BranCA No meU alBum.......eu adoro..☆☆☆☆ disse...

Alguém pode me responder: qual é a relação entre a lei zero da termodinamica e a troca de calor entre dois corpos?

Sandro disse...

A lei zero da Termodinâmica diz respeito ao equilibrio térmico - basicamente diz que se um corpo A está em equilíbrio térmico com um corpo B e ao mesmo tempo está em equilíbrio térmico com outro corpo C, então os corpos B e C também estão em equilíbrio térmico entre si. Isso está diretamente relacionado ao conceito de medida. Ao usar um termômetro para medir a temperatura de dois corpos, se você obtiver a mesma medida para ambos, quer dizer que eles estão em equilíbrio térmico entre si.
O que isso tem a ver com trocas de calor? Tem o fato de que não há trocas de calor entre corpos à mesma temperatura. Explicando melhor: digamos que A e B são dois corpos à mesma temperatura, ou seja, em equilíbrio térmico entre si. Se A e B são mantidos juntos em um ambiente isolado de outros corpos, então A deve emitir uma quantidade de calor Qa que será absorvida por B, mas B também transfere para A uma quantidade de calor Qb, no entanto Qa e Qb são iguais de forma ambos cedem e recebem de volta a mesma quantidade de energia... isso, obviamente, não altera em nada suas temperaturas e para todo efeito é como se nenhuma troca estivesse acontecendo, então diz-se-que não há trocas.

Luiza disse...

Ola professor
eu gostaria de saber como eu calculo o equilibrio termico de dois corpos.
por exemplo se em um sistema isolado eu tiver um corpo com 80 graus celcius e outro a 10, qual seria a minha temperatura final ao cessar o fluxo de calor?

Sandro disse...

Olá Luiza,
veja, não basta conhecer as temperaturas iniciais, é preciso também saber a massa (m)e o calor especifico (c) de cada corpo.
Se souber isso você usa a fórmula:
m1.c1.(T - t1) + m2.c2.(T - t2) = 0
Note que t1 e t2 são as temperaturas iniciais dos corpos 1 e 2, elas devem ser diferentes - por outro lado a temperatura final deve ser a mesma por isso pode usar a mesma letra, eu representei por T.

Anônimo disse...

Boa tarde, em um experimento realizado, colocou-se um béquer grande com água quente. Dentro desse "sistema", foi colocado um béquer pequeno e com água fria. As temperaturas dos 2 béqueres foram sendo medidas até qu a temperatura do béquer menor ficou superior à do béquer maior. Por que? Não deveriam ser iguais?????