FENOMENO DOS TRANSPOSTES

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO

FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA

ENGENHARIA CIVIL

FENÔMENOS DO TRANSPORTE

MAGNO SILVA BAHIA

Termodinâmica

Cuiabá - MT

Dezembro - 2014

Termodinâmica

A descoberta de meios para utilização de fontes de energia diferentes da que os animais forneciam foi o que determinou a possibilidade da revolução industrial. A energia pode se apresentar na natureza sob diversas formas, mas, exceto no caso da energia hidráulica e dos ventos, deve ser transformada em trabalho mecânico por meio de máquinas, para ser utilizada pelo homem. A termodinâmica nasceu justamente dessa necessidade, e foi o estudo de máquinas térmicas que desenvolveu seus princípios básicos.

Termodinâmica é o ramo da física que estuda as relações entre calor, temperatura, trabalho e energia. Abrange o comportamento geral dos sistemas físicos em condições de equilíbrio ou próximas dele. Qualquer sistema físico, seja ele capaz ou não de trocar energia e matéria com o ambiente, tenderá a atingir um estado de equilíbrio, que pode ser descrito pela especificação de suas propriedades, como pressão, temperatura ou composição química. Se as limitações externas são alteradas (por exemplo, se o sistema passa a poder se expandir), então essas propriedades se modificam. A termodinâmica tenta descrever matematicamente essas mudanças e prever as condições de equilíbrio do sistema.

Primeira Lei da termodinâmica

Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica, o princípio da conservação de energia aplicada à termodinâmica, o que torna possível prever o comportamento de um sistema gasoso ao sofrer uma transformação termodinâmica.

Analisando o princípio da conservação de energia ao contexto da termodinâmica:

Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas armazená-la ou transferi-la ao meio onde se encontra, como trabalho, ou ambas as situações simultaneamente, então, ao receber uma quantidade Q de calor, esta poderá realizar um trabalho [pic 3] e aumentar a energia interna do sistema ΔU, ou seja, expressando matematicamente:

1.  Uma parte da energia pode ser usada para o sistema realizar um trabalho (τ), expandindo-se ou contraindo-se, ou também pode acontecer de o sistema não alterar seu volume (τ = 0);
2. A outra parte pode ser absorvida pelo sistema, virando energia interna, ou seja, essa outra parte de energia é igual à variação de energia (ΔU) do sistema. Se a variação de energia for zero (ΔU = 0) o sistema utilizou toda a energia em forma de trabalho. 

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Sendo todas as unidades medidas em Joule (J).

Assim temos enunciada a primeira lei da Termodinâmica: “a variação de energia interna ΔU de um sistema é igual a diferença entre o calor Q trocado com o meio externo e o trabalho W por ele realizado durante uma transformação”.

Um bom exemplo da utilidade da 1ª Lei da Termodinâmica na engenharia civil é o uso dos aquecedores solares de água. Para aquecer a água de casa usando o calor do Sol instalam-se placas solares em áreas de forte incidência solar . O calor absorvido (Energia absorvida pelo sistema, ΔU) é transferido para a água dentro dos tubos de cobre presentes no interior da placa. A água aquecida sobe por termodinâmica e é acumulada em um reservatório com um bom isolamento térmico localizado sempre acima das placas. Pode-se usar essa água quente diretamente nos chuveiros ou como água pré-aquecida para aquecedores elétricos ou a gás.

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Figura 1 - Sistema de aquecimento solar de água

A Dilatação Térmica

Quando aumentamos a temperatura de um corpo sólido,  líquido ou gasoso, aumentamos a agitação das partículas que formam esse corpo, afastamento entre as partículas, resultando em aumento nas dimensões do corpo, caracterizando a dilatação térmica.

Na construção civil, é de grande importância entender as Leis da Termodinâmica para calcular e para prevenir possíveis vários problemas causados pela dilatação térmica como por exemplo, trincas e rupturas em peças como calçadas, fachadas, estruturas e trilhos ferroviários.

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Figura 2 - Deformação em trilhos devido à Dilatação térmica

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Figura 3 - Calçada com rachaduras devido à dilatação térmica

Teoria cinética e equação dos gases ideais

É possível, partindo apenas de alguns princípios bem gerais da termodinâmica - como a primeira lei e a definição de entropia, - e a previsão da teoria cinética para a pressão que um gás exerce nas paredes do recipiente que o contém - deduzir a lei (experimental) dos gases ideais, ou seja, a famosa relação PV=NRT.

I - Energia cinética e temperatura

Vamos analisar em detalhe uma colisão entre uma molécula de um gás, com massa m e velocidade V, e as paredes do recipiente, formadas por moléculas de massa M e velocidade V . Como a força que atua durante a colisão tem a direção da linha que une o centro das duas moléculas (na teoria cinética todas as moléculas são consideradas minúsculas esferas rígidas, ou seja, pontos materiais), as componentes da velocidade perpendiculares a essa direção não se alteram. Portanto, podemos tratar as colisões como se fossem unidimensionais. Vamos designar pela letra u a componente da velocidade ao longo dessa direção . A velocidade final da molécula da parede será:

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