Notas de Termodinâmica

Termodinâmica: O ramo da física e da ciência que lida com a correlação entre o calor e outras formas de energia que podem ser transferidas de uma forma e local para outro pode ser definido como termodinâmica. Certos termos que você deve conhecer ao examinar a termodinâmica podem ser melhor compreendidos pelo termo seguinte

HEAT

O calor é uma forma de energia, a transferência de energia de um corpo para outro acontece devido à diferença de temperatura e calor-energia flui de um corpo quente para um corpo frio, para torná-lo equilíbrio térmico e desempenha um papel muito crítico no princípio de termodinâmica.

Trabalho

Uma força externa aplicada na direção do deslocamento que permite que o objeto se mova por uma determinada distância sofre uma certa transferência de energia que pode ser definida como trabalho nos livros de física ou ciências. Em termos matemáticos, o trabalho pode ser descrito como a força aplicada multiplicada pela distância percorrida. Se o deslocamento está envolvido em um ângulo Θ quando a força é exercida, a equação pode ser:

W = f

W = fscosӨ

Onde,

 f = força aplicada

s = distância percorrida

Ө = ângulo de deslocamento

A termodinâmica é um aspecto muito vital de nossa vida diária. Eles seguem um conjunto de leis a serem cumpridas quando aplicadas em termos de física.

Leis da termodinâmica

O Universo, embora seja definido por muitas leis, apenas muito poucos são poderosos. As leis da termodinâmica como disciplina foram formuladas e abriram caminhos para vários outros fenômenos, que vão desde refrigeradores até a química e muito além dos processos vitais.

Os quatro básicos leis da termodinâmica consideram fatos empíricos e construir grandezas físicas, como temperatura, calor, trabalho termodinâmico e entropia, que definem operações termodinâmicas e sistemas em equilíbrio termodinâmico. Eles explicam as ligações entre essas quantidades. Além de sua aplicação na termodinâmica, as leis têm aplicações integrativas em outros ramos da ciência. Em termodinâmica, um 'Sistema' pode ser um bloco de metal ou um recipiente com água, ou até mesmo nosso corpo humano, e todo o resto é chamado de 'Arredores'.

A zero^th lei da termodinâmica obedece à propriedade transitiva da matemática básica de que se dois sistemas estão em Equilíbrio térmico com um 3^rd sistema, então estes também estão em estado de equilíbrio térmico entre si.

Os conceitos básicos que precisam ser cobertos para compreender as leis da termodinâmica são sistema e ambiente.

Sistema e arredores

A coleção de um determinado conjunto de itens que definimos ou incluímos (algo tão pequeno quanto um átomo a algo tão grande quanto o sistema solar) pode ser chamada de sistema, enquanto tudo que não se enquadra no sistema pode ser considerado como o ambiente e estes dois conceitos são separados por um limite.

Por exemplo, o café em um frasco é considerado um sistema e um ambiente com um limite.

Essencialmente, um sistema consiste em três tipos, a saber, aberto, fechado e isolado.

Equações termodinâmicas

As equações formadas em termodinâmica são uma representação matemática do princípio da termodinâmica submetida ao trabalho mecânico na forma de expressões equacionais.

As várias equações que são formadas nas leis e funções da termodinâmica são as seguintes:

● ΔU = q + w (primeira lei de TD)

● ΔU = Uf - Ui (energia interna)

● q = m Cs ΔT (calor / g)

● w = -PextΔV (trabalho)

● H = U + PV

ΔH = ΔU + PΔV

ΔU = ΔH - PΔV

ΔU = ΔH - ΔnRT (entalpia para energia interna)

● S = k ln Ω (segunda lei na fórmula de Boltzman)

● ΔSrxn ° = ΣnS ° (produtos) - ΣnS ° (reagentes) (terceira lei)

● ΔG = ΔH - TΔS (energia livre)

Primeira lei da termodinâmica

The 1^st lei da termodinâmica elabora que quando a energia (como trabalho, calor ou matéria) entra ou sai de um sistema, a energia interna do sistema mudará de acordo com a lei de conservação de energia (o que significa que a energia não pode ser criada nem destruída e só pode ser transferido ou convertido de uma forma para outra), ou seja, máquina de movimento perpétuo do 1^st kind (uma máquina que realmente funciona sem energia i / p) são inalcançáveis.

Por exemplo, acender uma lâmpada é uma lei em que a energia elétrica é convertida em energia luminosa que realmente ilumina e parte será perdida como energia térmica.

 ΔU = q + w

• ΔU é a mudança total de energia interna de um sistema.
• q é a transferência de calor entre um sistema e seus arredores.
• w é o trabalho realizado pelo sistema.

Segunda lei da termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica define uma propriedade importante de um sistema chamada entropia. A entropia do universo está sempre aumentando e matematicamente representada como ΔSuniv> 0, onde ΔSuniv é a mudança na entropia do universo.

Entropia

Entropia é a medida da aleatoriedade do sistema ou é a medida da energia ou do caos em um sistema isolado, podendo ser contemplada como um índice quantitativo que descreve a classificação da energia.

A segunda lei também fornece o limite superior de eficiência dos sistemas e a direção do processo. É um conceito básico que o calor não flui de um objeto de menor temperatura para um objeto de maior temperatura. Para que isso aconteça, uma entrada de trabalho externa deve ser fornecida ao sistema. Esta é uma explicação para um dos fundamentos da segunda lei da termodinâmica denominado “declaração de Clausius da segunda lei“. Afirma que “É impossível transferir calor em um processo cíclico de baixa temperatura para alta temperatura sem trabalho de uma fonte externa”.

 Um exemplo real dessa afirmação são os refrigeradores e bombas de calor. Sabe-se também que uma máquina que não consegue converter toda a energia fornecida a um sistema não pode ser convertida para funcionar com uma eficiência de 100%. Isso, então, nos guia para a seguinte declaração chamada de “enunciado de Kelvin-Planck da segunda lei”. A afirmação é a seguinte “É impossível construir um dispositivo (motor) operando em um ciclo que não produza nenhum efeito além da extração de calor de um único reservatório e convertê-lo todo em trabalho”.

Matematicamente, a declaração de Kelvin-Planck pode ser escrita como: Wciclo ≤ 0 (para um único reservatório) Uma máquina que pode produzir trabalho continuamente retirando calor de um único reservatório de calor e convertendo todo ele em trabalho é chamada de máquina de movimento perpétuo de o segundo tipo. Esta máquina viola diretamente a declaração Kelvin-Planck. Então, em termos simples, para um sistema produzir funcionar em um ciclo, ele precisa interagir com dois reservatórios térmicos em temperaturas diferentes.

Assim, em termos leigos, a 2ª lei da termodinâmica é elaborada, quando a conversão de energia ocorre de um para outro estado, a entropia não diminui, mas sempre aumenta independentemente dentro de um sistema fechado.

Terceira lei da termodinâmica

Em termos leigos, a terceira lei afirma que a entropia de um objeto se aproxima de zero à medida que a temperatura absoluta se aproxima de zero (0K). Esta lei ajuda a encontrar um ponto de credencial absoluto para obter a entropia. Os 3^rd lei da termodinâmica tem 2 características significativas como segue.

O sinal da entropia de qualquer substância particular em qualquer temperatura acima de 0K é reconhecido como sinal positivo e fornece um ponto de referência fixo para identificar a entropia absoluta de qualquer substância específica em qualquer temperatura.

Diferentes medidas de energia

ENERGIA

Energia é definida como a capacidade de trabalhar. É uma quantidade escalar. É medido em KJ em unidades SI e Kcal em unidades MKS. A energia pode ter muitas formas.

FORMAS DE ENERGIA:

 A energia pode existir em várias formas, como

• 1. Energia interna
• 2. Energia térmica
• 3. Energia elétrica
• 4. Energia mecânica
• 5. Energia cinética
• 6. Energia potencial
• 7. Energia eólica e
• 8. Energia nuclear

Este ainda mais categorizado em

(a) Energia armazenada e (b) Energia de trânsito.

Energia armazenada

A forma de energia armazenada pode ser um dos dois tipos a seguir.

• Formas macroscópicas de energia: Energia potencial e energia cinética.
• Formas microscópicas de energia: Energia interna.

Energia de trânsito

Energia de trânsito significa energia em transição, basicamente representada pela energia possuída por um sistema capaz de cruzar as fronteiras

Calor:

 É uma forma de transferência de energia que flui entre dois sistemas sob a diferença de temperatura entre eles.

(a) Caloria (cal) É o calor necessário para elevar a temperatura de 1 g de H2O em 1 grau C

(b) Unidade térmica britânica (BTU) É o calor necessário para elevar a temperatura de 1 lb de H2O em 1 grau F

Trabalho:

Uma interação de energia entre um sistema e seus arredores durante um processo pode ser considerada como transferência de trabalho.

Entalpia:

Entalpia (H) definido como a soma das energias internas do sistema e o produto de sua pressão e volume e a entalpia é uma função de estado usada no campo de sistemas físicos, mecânicos e químicos a uma pressão constante, representada em Joules (J) em SI unidades.

Relação entre as unidades de medida de energia (com respeito a Joules, J)

Tabela: Tabela de relação 

Relações de Maxwell

As quatro relações de Maxwell mais tradicionais são as igualdades das segundas derivadas de cada uma das quatro perspectivas termodinâmicas, no que diz respeito às suas variáveis ​​mecânicas como Pressão (P) e Volume (V) mais suas variáveis ​​térmicas, como Temperatura (T) e Entropia ( S).

Equação: Relações de Maxwell comuns

Conclusão

Este artigo sobre Termodinâmica dá a você um vislumbre das leis fundamentais, definições, relações de equações e suas poucas aplicações, embora o conteúdo seja curto, ele pode ser usado para quantificar muitas incógnitas. A termodinâmica encontra seu uso em vários campos, pois algumas quantidades são mais fáceis de medir do que outras, embora este tópico seja profundo por si só, termodinâmica é fundamental, e seus fenômenos fascinantes nos dão uma compreensão profunda do papel da energia neste universo

Algumas questões relacionadas ao campo da Termodinâmica

Quais são as aplicações da termodinâmica na engenharia?

Existem várias aplicações da termodinâmica em nossa vida diária, bem como no domínio da engenharia. As leis da termodinâmica são intrinsecamente utilizadas no setor automotivo e no setor aeronáutico da engenharia, como nos motores IC e turbinas a gás nos respectivos departamentos. Também é aplicado em motores de calor, bombas de calor, geladeiras, usinas de energia, ar condicionado e muito mais seguindo os princípios da termodinâmica.

Por que a termodinâmica é importante?

São várias as contribuições da termodinâmica em nosso cotidiano, bem como no setor de engenharia. Os processos que ocorrem naturalmente em nossa vida diária estão sob a orientação das leis termodinâmicas. Os conceitos de transferência de calor e os sistemas térmicos no ambiente são explicados pelo fundamental termodinâmico e por isso o assunto é muito importante para nós.

Quanto tempo leva para uma garrafa de água congelar a uma temperatura de 32˚F?

 Em termos de uma solução conceitual para a questão dada, a quantidade de tempo necessário para congelar uma garrafa de água a uma temperatura de 32F dependerá do ponto de nucleação da água, que pode ser definido como o ponto onde as moléculas do líquido são reunidos para se transformar em uma estrutura de cristal sólida onde a água pura irá congelar a -39C.

Outros fatores em consideração são o calor latente de fusão da água, que é a quantidade de energia necessária para mudar seu estado, essencialmente líquido para sólido ou sólido para líquido. O calor latente de água a 0 ° C para a fusão é de 334 joules por grama.

O que é a taxa de corte e como ela afeta a eficiência térmica de um motor diesel?

A razão de corte é inversamente proporcional ao ciclo diesel à medida que há um aumento na eficiência da razão de corte, há uma diminuição ou redução na eficiência de um motor diesel. A razão de corte é baseada em sua equação onde a correspondência do volume do cilindro antes e depois da combustão é proporcional entre si.

É o seguinte:

	Equação 1: Razão de corte

O que é um estado estacionário em termodinâmica?

O estado atual de um sistema que contém um fluxo através dele ao longo do tempo e as variáveis ​​desse processo particular permanecem constantes, então esse estado pode ser definido como um sistema de estado estacionário no assunto da termodinâmica.

Quais são os exemplos de limite fixo e limite móvel no caso da termodinâmica?

Um limite móvel ou, em outros termos, massa de controle é uma certa classe de sistema onde a matéria não pode se mover através do limite do sistema enquanto o próprio limite atua como um caráter flexível que pode expandir ou contrair sem permitir que qualquer massa flua para dentro ou para fora isto. Um exemplo simples de um sistema de limite móvel em termodinâmica básica seria um pistão em um motor IC, onde o limite se expande quando o pistão é deslocado enquanto a massa do gás no cilindro permanece constante, permitindo que o trabalho seja feito.

Considerando que, no caso de um limite fixo, nenhum trabalho está sendo permitido, pois eles mantêm o volume constante enquanto a massa pode fluir para dentro e para fora livremente no sistema. Também pode ser chamado de processo de controle de volume. Exemplo: gás saindo de um cilindro doméstico conectado a um fogão enquanto o volume é fixo.

 Quais são as semelhanças e diferenças de calor e trabalho em termodinâmica?

Semelhanças:

• ● Ambas as energias são consideradas como funções de caminho ou quantidades de processo.
• ● Eles também são diferenciais inexatos.
• ● Ambas as formas de energia não são armazenadas e podem ser transferidas para dentro e para fora do sistema após o fenômeno transitório.

Dissimilaridades:

• ● O fluxo de calor em um sistema está sempre associado à função de entropia, ao passo que não há transferência de entropia junto com o sistema de trabalho.
• ● O calor não pode ser convertido cem por cento em trabalho, enquanto o trabalho pode ser convertido em calor 100%.
• ● O calor é considerado um significado de energia de baixo nível, é fácil converter o calor em outras formas enquanto o trabalho é uma energia de alto nível.

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