Física

Ensino Médio

Termodinâmica (1)

Calor, trabalho e rendimento

Paulo Augusto Bisquolo*
Especial para a Página 3 Pedagogia & Comunicação

A troca e a transformação de energia são fenômenos que ocorrem constantemente na natureza. Basta esfregarmos as nossas mãos para percebermos o aumento da temperatura delas. Nesse caso, temos uma transformação da energia mecânica em calor. Esse é só um dos muitos exemplos que ocorrem frequentemente ao nosso redor.

A termodinâmica trata do estudo da relação entre o calor e o trabalho, ou, de uma maneira mais prática, o estudo de métodos para a transformação e energia térmica em energia de movimento.

Essa ciência teve impulso especialmente durante a revolução industrial, quando o trabalho que era realizado por homens ou animais começou a ser substituído por máquinas. Os trabalhos dos cientistas da época levaram-nos a duas leis de caráter muito amplo e aplicável a qualquer sistema na natureza.

A primeira lei da termodinâmica, que é o princípio da conservação da energia aplicada a sistemas termodinâmicos.

A segunda lei da termodinâmica, que nos mostra as limitações impostas pela natureza quando se transforma calor em trabalho.

Para entendê-las, é preciso inicialmente compreender duas grandezas físicas importantes: o trabalho e a energia interna.

O trabalho

Imagine que você tem alguns livros que precisam ser guardados em uma estante. Para tal tarefa, você precisa aplicar uma força nos livros. Será necessário deslocá-los e guardá-los na estante. Na física, quando temos força e um conseqüente deslocamento, dizemos que houve a realização de trabalho.

Na termodinâmica, o trabalho tem um papel fundamental, pois ele pode ser considerado como o objetivo final da construção de uma máquina térmica. Nas antigas maquinas a vapor, por exemplo, gerava-se calor com a queima de combustível, como o carvão. O resultado final era o movimento, ou seja, a realização de trabalho.

De modo geral, na termodinâmica, o trabalho pode ser determinado através de um método gráfico. Considere um gráfico de pressão por volume, como mostrado na figura abaixo.

O trabalho é numericamente igual à área entre a curva do gráfico e o eixo do volume.

Para que o trabalho de um sistema seja diferente de zero, é obrigatória uma variação de volume do sistema. Em transformações isométricas, ou seja, com volume constante, o trabalho vale zero. Da relação de trabalho e variação de volume temos:

Unidade de trabalho: no sistema internacional, o trabalho é medido em joules

Energia interna

Na física é muito comum usarmos o termo sistema, por isso é importante entendermos o que isso significa. Na termodinâmica podemos considerar um sistema como um conjunto de muitas partículas, como por exemplo, um gás.

Em um gás, há um número muito grande de moléculas que estão em constante estado de movimentação. Definimos a energia interna como a energia de movimentação dessas moléculas, ou seja, a soma das energias cinéticas das moléculas que constituem esse gás.

Determinar a energia interna de um gás não é uma tarefa simples, mas se considerarmos este gás como um gás perfeito, a energia interna pode ser determinada pela lei de Joule.

Onde:

U é a energia interna.

R é a constante dos gases perfeitos (um valor dado).

T é a temperatura.

n é o numero de mols.

Essa relação matemática mostra que a energia interna e a temperatura estão relacionadas de maneira direta: para que ocorra uma variação de energia interna é necessário que ocorra uma variação de temperatura do sistema. Resumindo:

No Sistema Internacional, a energia interna é medida em joules e a temperatura, em Kelvin.

A primeira lei da termodinâmica.

Como foi mencionado anteriormente, a primeira lei da termodinâmica é o princípio da conservação de energia aplicado a sistemas termodinâmicos. O princípio da conservação da energia baseia-se no fato de que a energia não é criada e nem destruída, mas sim transformada.

Ao se fornecer calor ao sistema, podemos observar a ocorrência de duas situações possíveis. Um aumento de temperatura e uma expansão do gás. O aumento de temperatura representa o aumento de energia interna do sistema e a expansão do gás representa a realização de trabalho.

Pode-se concluir que o calor fornecido ao sistema foi transformado na variação de energia interna e na realização de trabalho. Desta conclusão, chega-se à primeira lei da termodinâmica, que é definida da seguinte forma.

Transformações cíclicas

Uma transformação cíclica ocorre quando o estado inicial do sistema coincide com o estado final. Em um diagrama de pressão por volume a curva que representa essa transformação é fechada, como representado na figura abaixo.

O cálculo da área dentro da curva dará o valor numérico do trabalho realizado no ciclo. Esses ciclos podem ser apresentados nos sentidos horário ou anti-horário.

Sentido horário:

Ciclo motor

Sentido anti-horário:

Ciclo refrigerador

As transformações cíclicas são extremamente importantes para o nosso cotidiano, pois as máquinas térmicas que utilizamos diariamente, como o motor do automóvel e a geladeira, funcionam desta maneira.

Segunda Lei da Termodinâmica

Na natureza, encontramos a energia em diversas formas: energia nuclear, elétrica, mecânica, solar dentre outras, e é possível transformá-las integralmente em calor. Quando lixa uma mesa, através do atrito, você transforma integralmente o trabalho em calor com muita facilidade.

O processo inverso, ou seja, transformar o calor em trabalho não é tão simples e está sujeito a certas restrições. Dessas restrições veio a segunda lei da termodinâmica que pode ser enunciada da seguinte forma:

Não é possível construir uma máquina térmica que transforme integralmente o calor em trabalho.

Em outras palavras, é impossível construir uma máquina térmica com 100% de eficiência.

Máquinas térmicas

Uma máquina térmica é um equipamento que pode transformar calor em trabalho. Esses aparelhos funcionam entre duas fontes, uma quente e uma fria, e do fluxo de calor da fonte quente para a fonte fria, parte é transformada em trabalho, como esquematizado na figura abaixo.

É importante saber calcular o rendimento destas máquinas. Para uma máquina térmica, o rendimento é determinado pela seguinte relação:

Uma imposição da segunda lei da termodinâmica é que nenhuma máquina térmica tem rendimento de 100%, por isso vale a seguinte condição:

Como a transformação de calor em energia mecânica não é um processo espontâneo, o rendimento de uma máquina térmica é baixo.

Será possível estimar o rendimento máximo de uma máquina térmica se soubermos os valores das temperaturas das fontes quente e fria. Esse rendimento foi demonstrado pelo engenheiro Nicolas Sadi Carnot, que propôs a seguinte relação:

Observe que para termos um bom rendimento, é necessário que a máquina opere entre uma temperatura muito alta e uma muito baixa.

Motores a combustão

Historicamente, o primeiro motor desse tipo foi construído em 1867, pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto e foi baseado nas antigas máquinas a vapor. Esse tipo de motor é constituído de duas partes principais, o carburador e o cilindro.

Nos automóveis atuais, o carburador foi substituído pela injeção eletrônica, que é responsável por uma mistura mais eficiente de oxigênio e gasolina. O funcionamento desses equipamentos pode ser resumido em quatro etapas e por isso eles são chamados de motores de quatro tempos. Observe a figura abaixo.

Primeiro tempo, a admissão

A válvula de admissão é aberta e o pistão aspira a mistura de ar e gasolina.

Segundo tempo, a compressão

A válvula de admissão é fechada, e a mistura é comprimida pelo pistão.

Terceiro tempo, a explosão

Na parte superior do cilindro está a vela que provoca uma faísca e uma explosão da mistura. Esta explosão aumenta a pressão do gás que empurra o pistão para baixo enquanto que a sua temperatura cai de maneira significativa. Durante esse processo, as válvulas de admissão e escape permanecem fechadas.

Quarto tempo, o escape

A válvula de admissão permanece fechada, enquanto que a de escape se abre. Os gases residuais da explosão saem por essa válvula e pelo tubo de escapamento.

* Paulo Augusto Bisquolo é professor de física do colégio COC-Santos (SP).

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