Leis da Termodinâmica e Transformações Gasosas

Transformação Isobárica

Analogamente à transformação isotérmica, quando há uma transformação isobárica, a pressão é conservada. Regida pela Lei de Charles e Gay-Lussac, esta transformação pode ser expressa por:

Onde:

• V = volume;
• T = temperatura absoluta;
• = constante que depende da pressão, massa e da natureza do gás.

Assim, quando um mesmo gás muda de temperatura ou volume, é válida a relação:

Transformação Isotérmica

A palavra isotérmica se refere à mesma temperatura. Logo, uma transformação isotérmica de um gás ocorre quando a temperatura inicial é conservada. A lei física que expressa essa relação é conhecida como Lei de Boyle e é matematicamente expressa por:

Onde:

• p = pressão;
• V = volume;
• = constante que depende da massa, temperatura e da natureza do gás.

Como esta constante é a mesma para um mesmo gás, ao ser transformado, é válida a relação:

Transformação Isométrica, Isocórica ou Isovolumétrica

A transformação isométrica também pode ser chamada de isocórica e, assim como nas outras transformações vistas, a isométrica se baseia em uma relação em que, neste caso, o volume se mantém.

Regida pela Lei de Charles, a transformação isométrica é matematicamente expressa por:

Onde:

• p = pressão;
• T = temperatura absoluta do gás;
• = constante que depende do volume, massa e da natureza do gás.

Como para um mesmo gás, a constante é sempre a mesma, garantindo a validade da relação:

2ª Lei da Termodinâmica

Enunciado de Clausius

O calor não pode fluir, de forma espontânea, de um corpo de temperatura menor para um outro corpo de temperatura mais alta.

Tendo como consequência que o sentido natural do fluxo de calor é da temperatura mais alta para a mais baixa, e que, para que o fluxo seja inverso, é necessário que um agente externo realize um trabalho sobre este sistema.

Enunciado de Kelvin-Planck

É impossível a construção de uma máquina que, operando em um ciclo termodinâmico, converta toda a quantidade de calor recebido em trabalho.

Este enunciado implica que não é possível que um dispositivo térmico tenha um rendimento de 100%, ou seja, por menor que seja, sempre há uma quantidade de calor que não se transforma em trabalho efetivo.

A Segunda Lei da Termodinâmica está intrinsecamente relacionada a fenômenos do cotidiano, tais como um gás em expansão, a geração de calor pelo atrito ou um objeto quente esfriando ao ar livre. No entanto, como mostra a literatura, alunos e professores nem sempre têm o real entendimento desta lei. Dessa forma, este trabalho relata uma investigação de como a Segunda Lei da Termodinâmica é entendida por professores de Ensino Médio. O estudo foi realizado por meio da aplicação de um questionário que consistia em 7 questões e que foi aplicado a professores participantes do programa Pró-Ciências/ES no segundo semestre de 2001.

A análise dos resultados revela que a Segunda Lei da Termodinâmica, enquanto princípio da Física, é articulada de forma restrita nas explicações dos professores participantes deste estudo. Este resultado é constatado por meio do elevado número de respostas em branco e respostas que afirmavam o desconhecimento desta lei.

Notando que os dados referentes à pesquisa foram coletados de professores de Ensino Médio, que são os responsáveis pelo ensino deste tópico, o estudo revela a realidade do ensino de ciências com relação a este assunto.

1ª Lei da Termodinâmica

Conforme estabelecido no princípio da conservação de energia: "A energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada de uma modalidade em outra." Então, se um gás receber calor (Q), essa energia pode ser armazenada ou transferida para o meio na forma de trabalho.

Podemos estabelecer a Primeira Lei da Termodinâmica como: Q = T + ΔU, onde Q é o calor trocado, T é o trabalho realizado e ΔU é a variação da energia interna.

Transformações Gasosas

• Isobárica: A pressão é constante. T = p.ΔV; Q = T + ΔU; Q = (p.ΔV) + ΔU.
• Isotérmica: A temperatura do gás permanece constante, portanto ΔU = 0; Q = T + ΔU; Q = T.
• Isométrica (Isocórica/Isovolumétrica): O volume do gás é constante. T = 0; Q = T + ΔU; Q = ΔU.
• Adiabática: Não ocorre troca de calor entre o gás (sistema e meio externo). Q = 0; Q = T + ΔU; T = -ΔU.

Transformações Cíclicas

• Trabalho numa transformação cíclica: O trabalho total trocado com o meio exterior é numericamente igual à área interna do ciclo. Se o ciclo é percorrido no sentido horário, o trabalho será positivo (o gás realiza trabalho sobre o meio).
• Energia interna numa transformação cíclica: O gás retorna à condição inicial de temperatura, portanto ΔU = 0; Q = T + ΔU; Q = T.