Princípios Fundamentais da Termodinâmica

A Termodinâmica é o ramo da Física que estuda a transformação de energia térmica em trabalho. A aplicação direta desses princípios em motores de combustão interna ou externa torna esta teoria fundamental para o funcionamento de motores de carros, caminhões e tratores, bem como em turbinas de aviões, entre outras aplicações.

1. Trabalho em uma Transformação Isobárica

A transformação isobárica, como o nome indica, é aquela em que apenas o volume e a temperatura de um gás variam, enquanto a pressão é mantida constante. Nesse caso, o trabalho (τ) realizado pode ser expresso por:

τ = p ⋅ ΔV

• τ: Trabalho de uma transformação isobárica
• p: Pressão constante
• ΔV: Variação de volume

2. Energia Interna dos Gases

Um gás com temperatura acima do zero absoluto (0 K) possui uma energia interna (U), que corresponde à energia cinética de suas partículas em movimento:

U = E_c = 3/2 nRT

• U: Energia interna de um gás
• E_c: Energia cinética
• n: Número de mols do gás
• R: Constante universal dos gases (8,31 J/mol·K)
• T: Temperatura absoluta do gás (em Kelvin)

3. Primeiro Princípio da Termodinâmica

“Se um sistema gasoso recebe energia na forma de calor (Q), essa energia pode ser armazenada como variação da energia interna (ΔU) ou pode se transformar em trabalho (τ).”

A seguir, um resumo do Primeiro Princípio para diferentes transformações:

3.1. Transformação Isotérmica (sem variação de temperatura)

Como não há variação de temperatura, a variação da energia interna é nula (ΔU = 0). Assim, Q = τ. Todo o calor recebido pelo sistema é transformado em trabalho.

3.2. Transformação Isobárica (sem variação de pressão)

O calor trocado será: Q = 5/2 nRΔT.

3.3. Transformação Isocórica (sem variação de volume)

Como não há variação de volume, o trabalho é nulo (τ = 0). Assim, ΔU = Q. Toda a energia trocada na forma de calor resulta em variação da energia interna.

3.4. Transformação Adiabática (sem troca de calor)

Ocorre sem troca de calor com o ambiente externo (Q = 0). Assim, ΔU = -τ. O trabalho é realizado à custa da energia interna do sistema.

4. Teorema de Carnot

Uma máquina térmica, para operar de forma contínua, deve receber calor (Q₁) de uma fonte quente a uma temperatura (T₁), transformar parte dessa energia em trabalho e devolver o calor restante (Q₂) para uma fonte fria a uma temperatura (T₂), onde T₂ < T₁.

O rendimento (η) dessa máquina é dado por: η = 1 - |Q₂/Q₁|

Segundo o Teorema de Carnot, o rendimento máximo teórico de uma máquina térmica é: η_máx = 1 - T₂/T₁

Máquinas Frigoríficas

Na máquina frigorífica, o objetivo é utilizar uma fonte de energia externa (trabalho), como um motor elétrico, para transferir calor de uma fonte de menor temperatura para uma de maior temperatura.