1) O documento introduz conceitos de calor, temperatura e termodinâmica, e como esses fenômenos ocorrem no mundo real. 2) É explicado o que é calor, temperatura, as leis da termodinâmica e como elas regem processos energéticos. 3) Vídeos e exemplos ilustram como conceitos termodinâmicos como transformações gasosas e o ciclo de Carnot se aplicam na prática.

3. Introdução Temos através desse trabalho, o objetivo de compreender alguns fenômenos naturais que se apresentam de forma regular e relacioná-los com conceitos desenvolvidos ao longo da história, utilizando conceitos para prever situações do cotidiano, resolver os problemas encontrados, e sua relação com a Termodinâmica e a relação das grandezas: Calor, Temperatura e Energia. Primeiramente, vamos retomar alguns conceitos de calor e temperatura, Transformações gasosas, Trabalho Termodinâmico, Primeira e Segunda Lei da termodinâmica, Ciclo de Carnot, Rendimento da Máquina Térmica, Energia em sistemas conservativos e não conservativos e Entropia.

4. A seguir, veremos um vídeo de introdução do conteúdo...

5. Aumente o Volume

7. Temperatura A Temperatura é a medida da energia cinética associada ao movimento (vibração) aleatório das partículas que compõem um dado sistema físico. A temperatura é devida à transferência da energia térmica ou calor, entre dois ou mais sistemas A temperatura é diretamente proporcional à quantidade de energia térmica ou calor num sistema. Quanto mais calor se junta a um sistema, mais a sua temperatura aumenta. Ao contrário, uma perda de calor provoca um abaixamento da temperatura do sistema. Na escala microscópica, este calor corresponde à transmissão da agitação térmica entre átomos e moléculas no sistema. Assim, uma elevação de temperatura corresponde a um aumento da velocidade de agitação térmica dos átomos. Muitas propriedades físicas da matéria como as suas fases ( estado sólido, líquido, gasoso, plasma ou condensado de Bose-Einstein), a densidade,a solubilidade, a pressão de vapor e a condutibilidade elétrica dependem da temperatura. A temperatura tem também um papel importante no valor da velocidade das reações químicas

8. Vídeo de concretização dos conceitos de temperatura e calor...

9. Aumente o Volume

10. Vídeo sobre de introdução sobre transformações gasosas...

11. Aumente o Volume

12. Lei Geral dos Gases Perfeitos (Ideais) Antes! O que é gás perfeito? É um gás que não existe na realidade, e serve apenas para provar que um gás real, quando aquecido e rarefeito, se comporta do modo como mostramos anteriormente. A lei geral diz Equação de Clapeyron Envolve o número de mols do gás, número associado a massa do gás. A equação é PV = nRT. R é a constante universal dos gases perfeitos. N o número de Mols do gás, T a temperatura em Kelvin, V o Volume e P a pressão. Quando a pressão for dada em atmosfera, tem valor 0,082 atm . l/MOL . K. Pressão de um Gás A pressão que um gás exerce é F de força em Newtons dividio pelo S é a área do recipiente em que se encontra e P é a pressão

13. Transformações Gasosas Uma transformação gasosa ocorre quando há mudança nas variáveis de estado de um gás. Há certas transformações que são consideradas especiais ou particulares: a isocórica (V constante), a isobárica (p constante), e a isotérmica (T constante).

14. Transformações Isotérmicas São transformações em que a temperatura permanece constante.Pressão e Volume são inversamente proporcionais. Quando o peso bate no embolo, há um aumento de pressão e uma redução no volume. Cessada a pressão o embolo volta a sua pressão normal e volume normal. A temperatura não chega a ser alterada porque o processo é rápido.

15. Transformações Isobáricas São transformações que ocorrem a pressão constante.O Volume e a Temperatura são diretamente proporcionais. Quando a chapa circular se aquece ao rubro, ela acaba transferindo calor para o gás dentro do cilindro. As moléculas do gás se agitam mais e colidem mais fortemente com as paredes. Isto causaria um aumento na pressão não é? Mas não causa. Sabe por que? Porque quando o gás se aquece as moléculas batem no embolo e ele sobe. O aumento de volume acaba normalizando a pressão.

16. Transformações Isométricas São transformações com volume constante. A Pressão e a Temperatura são diretamente proporcionais. Quando as chapas se aquecem liberam calor para o gás dentro do cilindro. As moléculas do gás se agitam mais e acabem colidindo com mais força nas paredes do cilindro e no embolo, que não é móvel. Se o embolo pudesse subir mais, a pressão seria normalizada. Entretanto o embolo é fixo e a pressão só aumenta com o aumento de temperatura. As presilhas do embolo do cilindro da direita não suportaram a alta pressão e romperam.

17. Transformações Adiabáticas São transformações que ocorrem sem troca de calor. Cp e Cv são os calores específicos do gás a pressão constante e a volume constante.

18. Vídeo final de transformações gasosas...

19. Aumente o Volume

20. Termodinâmica A Termodinâmica é a parte da Termologia (Física) que estuda os fenômenos relacionados com trabalho, energia, calor e entropia, e as leis que governam os processos de conversão de energia. A Primeira Lei da Termodinâmica fornece o aspecto quantitativo de processos de conversão de energia. É o princípio da conservação da energia e da conservação da massa, agora familiar, : "A energia do Universo é constante". A Segunda Lei da Termodinâmica determina o aspecto qualitativo de processos em sistemas físicos, isto é, os processos ocorrem numa certa direção mas não podem ocorrer na direção oposta. Enunciada por Clausius da seguinte maneira: "A entropia do Universo tende a um máximo". A possibilidade de interconversão entre calor e trabalho possui restrições para as chamadas máquinas térmicas. " Para haver conversão contínua de calor em trabalho, um sistema deve realizar ciclos entre fontes quentes e frias, continuamente. Em cada ciclo, é retirada uma certa quantidade de calor da fonte quente (energia útil), que é parcialmente convertida em trabalho, sendo o restante rejeitado para a fonte fria (energia dissipada)"

21. Ciclo de Carnot É o ciclo executado pela Maquina de Carnot, idealizada pelo engenheiro francês Carnot e que tem funcionamento apenas teórico (ainda não conseguiram criar uma Maquina de Carnot). Funcionando entre duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas alternadamente, permite menor perda de energia (Calor) para o meio externo (fonte fria). O rendimento da Maquina de Carnot é o maximo que uma máquina térmica trabalhando entre dadas temperaturas da fonte quente e da fonte fria pode ter (Mas nunca o rendimento chega em 100%). .

22. Temos que o rendimento da maquina em porcentagem é igual a: Onde: Tc = Temperatura da fonte fria(em Kelvin) Th = Temperatura da fonte quente (em Kelvin) A utilidade da Maquina de Carnot é descobrir se uma máquina térmica tem um bom rendimento, para assim ver se o seu custo em é viável para a indústria

23. Mostraremos a energia e a temperatura em Q e T respectivamente, que durante cada ciclo do motor, a substancia de trabalho absorve a energia Qa sob a forma de calor de um reservatório térmico mantido á temperatura constante Ta e libera a energia Qb sob a forma de calor para um segundo reservatório térmico mantido a uma temperatura inferior, também constante Tb Calor Qa convertido em trabalho

24. Rendimento da Máquina Térmica A máquina térmica é um dispositivo para converter calor em trabalho mecânico e uma análise da máquina térmica de Carnot fornece a relação que procuramos. O trabalho fornecido por uma máquina térmica corresponde a uma diferença entre o calor introduzido no sistema na temperatura maior, gH, e o calor perdido a baixa temperatura, qc. Operavam utilizando-se mais da propriedade de o vapor condensar-se de novo em líquido do que de sua propriedade de expansão. Quando o vapor se condensa, o líquido ocupa menos espaço que o vapor. Se a condensação tem um lugar em um recipiente fechado, cria-se um vácuo parcial, que pode realizar trabalho útil. O rendimento é definido como a razão entre o trabalho realizado no ciclo e a quantidade de energia retirada da fonte quente na forma de calor. Existem várias maneiras de descobrir o rendimento (N) de uma máquina térmica. Algumas simples são: N= rendimento W=trabalho Q=fonte W = t/Q2

25. O rendimento é o trabalho executado dividido pelo calor introduzido no sistema ou: onde Wcy é o trabalho fornecido por ciclo. Vemos que o rendimento depende só de qC/qH. Como qC e qH correspondem à transferência de calor nas temperaturas TC e TH, qC/qH devem ser uma função destas temperaturas:

27. Num sistema não conservativo (ou dissipativo) parte da energia se degrada, se transforma em um tipo de energia que não pode retornar para o tipo original. Se considerarmos um pêndulo real, parte da energia inicial irá sendo transformada em calor, e esse calor não poderá ser completamente transformado em energia cinética ou potencial gravitacional. Energia em sistemas não conservativos

28. A entropia (do grego εντροπία, entropía ) é uma grandeza termodinâmica geralmente associada ao grau de desordem. Ela mede a parte da energia que não pode ser transformada em trabalho. É uma função de estado cujo valor cresce durante um processo natural em um sistema fechado. Vamos por partes, começando com fatos que são familiares para todo mundo. Quando você põe um cubo de açúcar no café, o cubo dissolve. Uma vez dissolvido, você não verá os grãos de açúcar voltarem a formar o cubo. Se você abrir uma garrafa de perfume em um quarto fechado, você sentirá o cheiro agradável se espalhando pelo quarto. Isso ocorre por que as moléculas de perfume chocam-se entre si, escapando da garrafa, e, aos poucos, vão se chocando também com as moléculas de ar no quarto, e o perfume vai se difundindo. Você não verá o aroma agradável desaparecer devido ao fato de todas as moléculas espontaneamente terem resolvido voltar para a garrafa. Entropia

29. Mais um exemplo: você quebra um ovo e prepara uma omelete. Jamais você verá a omelete se transformar de volta em um ovo. Todos esses processos mostram que existe uma direção preferencial para a passagem do tempo. Se você visse uma omelete se transformando em um ovo, você imediatamente concluiria, por mais estranho que fosse, que o tempo estaria andando para trás. Os exemplos acima têm um aspecto em comum: todos eles começam em um estado organizado (o cubo de açúcar, a garrafa com o perfume dentro, o ovo) e terminam num estado muito mais desorganizado (o cubo dissolvido, o perfume espalhado, a omelete). Esse aumento inevitável da desordem não é uma propriedade exclusiva de cubos de açúcar, garrafas de perfume ou ovos. Ele ocorre com todos os sistemas que não trocam energia com o exterior. (No caso do ovo, o sistema tem de incluir a panela e a colher que bate o ovo e, se você quiser, o calor do fogão e a energia que você gasta.) A quantidade de desordem de um sistema é representada pela sua entropia: quanto mais organizado o sistema, menor é a sua entropia. O cubo e a xícara de café do exemplo acima têm entropia menor do que os grãos de açúcar espalhados por todo o volume do café. Esse crescimento da entropia é outra expressão da segunda lei da termodinâmica: em um sistema isolado (que não troca energia com o exterior), a entropia nunca decresce, podendo apenas crescer ou permanecer constante. E, como a segunda lei também está relacionada com a direção da passagem do tempo, podemos dizer que o tempo vai para frente porque a entropia cresce.

30. Máquina à Vapor

31. Depois de m uitos estudos e teorias, colocaremos agora em prática tu do que vimos até agora, ou seja, veremos as aplicações no nosso dia-a-dia, em uma máquina à vapor, talvez a mais famosa e marcante, o Trem à vapor ou Maria Fumaça...

32. Funcionamento Do Motor à Vapor O diagrama a seguir mostra os componentes principais de um motor a vapor com pistão. Este tipo de motor seria característico numa locomotiva a vapor. O motor mostrado é um motor a vapor de atuação dupla porque a válvula permite vapor de alta pressão atuar alternadamente em ambas as faces do pistão. A animação a seguir mostra a máquina em ação:

33. Você pode ver que a válvula corrediça é responsável por permitir que o vapor em alta pressão entre em qualquer lado do cilindro. A barra deslizante de comando para a válvula é usualmente forçada numa integração acoplada ao ressalto do êmbolo, de modo que o movimento do ressalto do êmbolo desliza a válvula também. Na locomotiva a vapor, esta integração também permite ao maquinista colocar o trem em movimento inverso. Você pode ver neste diagrama que o vapor de exaustão simplesmente é expelido, saindo para a atmosfera.

34. Esse fato explica duas coisas sobre locomotivas a vapor: - Por que se deve carregar água na estação - a água é constantemente perdida pelo exaustor de vapor. - O som "tchu-tchu" que vem da locomotiva - quando a válvula abre o cilindro para liberar o vapor exaurido, o vapor escapa à pressão muito alta, fazendo o som "tchu" quando sai. Quando o trem está dando partida, o pistão está se movendo muito lentamente, mas então o trem começa a mover o pistão e ganha velocidade. O efeito disto é o "tchu... tchu... tchu... tchu-tchu-tchu-tchu" que ouvimos quando o trem começa a se mover. Numa locomotiva a vapor, o ressalto do êmbolo normalmente se liga a um braço motriz, e daí aos braços duplos que acionam as rodas da locomotiva Neste diagrama, a cruzeta é conectada a um braço motriz que se conecta a uma das três rodas motrizes de tração. As três rodas são conectadas por braços duplos de modo que giram em Harmonia

35. Agora para finalizar, vamos ver o último vídeo explicativo...

36. Aumente o Volume

37. Conclusão Através desse trabalho foi possível analisar os conceitos da termodinâmica e entendê-los por meio de máquinas que utilizam esses princípios, como, a máquina à vapor, que por meio de uma fonte de calor faz água de uma caldeira evaporar gerando uma pressão que é utilizada no funcionamento de maquinas. Mas a termodinâmica não esta presente somente nas máquinas à vapor, na verdade ela é responsável pelo funcionamento de todos os motores, des do a vapor ate o elétrico. Um exemplo de motor onde estão presentes as leis da termodinâmica é o motor a combustível, (sistema do motor de automóveis, termoelétricas, aviões, etc) que consiste em uma maquina térmica em que seu funcionamento é baseado na queima de combustível que por meio de rações químicas é produzindo energia mecânica através de ciclos de expansão e compressão de gases. A sociedade em que vivemos e cercada por essas máquinas, e podemos dizer que hoje em dia seria impossível viver um mundo sem ela, isso deve-se a grande eficiência, comodidade e também, a dependência de que foi criada por elas, onde em um sistema capitalista como o que vivemos uma grande produtividade e agilidade são fundamentais.