PROCESSOS TERMODINÂMICOS, Trabalhos de Física Clássica

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS

Instituto de Ciências Econômicas e Gerenciais

Curso de Engenharia de Produção

Rafael Padilha Fonseca

PROCESSOS TERMODINÂMICOS

Belo Horizonte

Rafael Padilha Fonseca

PROCESSOS TERMODINÂMICOS

Trabalho apresentado à disciplina de Laboratório

de física 2 da Pontifícia Universidade Católica de

Minas Gerais

Prof. Tomas de Aquino Silveira

Belo Horizonte

Observe que a linha tracejada que passa pelo ponto C é uma isoterma que

representa a maior temperatura que o sistema alcança, enquanto a menor

temperatura do sistema ocorre ao longo da isoterma de A para B.

Tendo em vista que a energia interna de um sistema é uma variável de estado

(ou seja, depende apenas do estado termodinâmico do sistema –caracterizado

pelos respectivos valores de pressão, volume e temperatura), então a variação

da energia interna é nula em um processo cíclico.

O comportamento das variáveis termodinâmicas do gás ideal ao longo desses

processos pode ser analisado através da equação de estado de um gás ideal:

Onde 𝑃é a pressão, 𝑉é o volume, 𝑁é o número de partículas, 𝑇é a

temperatura e 𝐾𝐵=1,38×10−23𝐽/𝐾é a constante de Boltzmann.

PARTE EXPERIMENTAL

Objetivos: Estudar processos termodinâmicos em um diagrama P-V. Aplicar a

Primeira Lei da Termodinâmica.

Aplicativo: https://phet.colorado.edu/sims/html/gases-intro/latest/gases-

intro_pt_BR.html

PROCEDIMENTOS:

2.1 PROCEDIMENTO 1: Compressão isotérmica

Escolha a janela “Leis”. Faça os ajustes iniciais a seguir, conforme

representado na figura abaixo.

Insira 50 partículas no sistema;

Selecione a opção de manter a temperatura constante;

Aumente o comprimento da caixa para o valor máximo de 15,0 nm.

Anote o valor da área da seção transversal da caixa: 35 nm².

Figura 2–ajustes da simulação para o processo de compressão isotérmica.

1. Anote os valores iniciais de volume, temperatura e pressão na Tabela 1.

2. Varie a largura da caixa, calculando o volume e anotando os respectivos

valores de temperatura e pressão, conforme indicado na Tabela 1.

Tabela 1: compressão isotérmica.

L (nm) A ( nm

2

¿ V ( nm

3

P (kPa) T (K)

Usando o programa SciDavis, plote um gráfico de P vs. V.

2.2 PROCEDIMENTO 2: expansão isobárica

Tendo em vista a configuração final do procedimento 2.1 (compressão

isotérmica), marque a opção para manter a pressão constante, como indicado

na figura abaixo.

4. Abra a janela do gráfico plotado anteriormente (maximizando-a). Clique em

Graph>Add/Remove Curve (ver Figura 5).

Figura 4: inserir nova tabela no SciDavis.

Figura 5: inserir novo gráfico no SciDavis.

5. Na janela que surge, clique sobre os dados da segunda tabela e insira esses

dados no gráfico atual, conforme a Figura 6.

Figura 6: inserir dados de diferentes tabelas em um mesmo gráfico no

SciDavis.

2.3 PROCEDIMENTO 3: resfriamento isovolumétrico

Ao final do procedimento anterior, marque a opção para manter o volume

constante, conforme indicado na Figura 7.

Figura 7: ajustes iniciais do procedimento de resfriamento isovolumétrico.

1. Anote os valores de volume, temperatura e pressão iniciais deste processo

na Tabela 3.

2. Reduza a temperatura em passos de aproximadamente 100 K até a

temperatura retornar ao valor inicial (correspondente ao primeiro processo de

compressão isotérmica –Tabela 1). Anote os respectivos valores de pressão e

temperatura na Tabela 3.

Tabela 3: processo de resfriamento isovolumétrico.

L (nm) A ( nm

2

V (

nm

3

P (kPa) T (K)

Figura 8: integração numérica no SciDavis.

III)Calcule a área entre as curvas, que será igual em módulo ao trabalho total

realizado sobre o sistema durante o processo cíclico.

Área entre curvas = |A2| - |A1| = 4140.50x 10

− 24

J- 227.491 x 10

− 24

J = 186.

Observação: note que a unidade de medida da área entre as curvas deverá

ser convertida para o sistema internacional de unidades, para que o trabalho

esteja em Joules.

IV) Durante o processo de compressão isotérmica, o trabalho é positivo ou

negativo? Durante o processo de expansão isobárica, o trabalho é positivo ou

negativo? Calcule o trabalho líquido realizado sobre o sistema durante o

processo cíclico.

Durante o processo de compressão isotérmica o trabalho é positivo em

contraponto o trabalho durante a expansão isobárica é negativa

2. Tendo em vista a primeira lei da termodinâmica, calcule o valor do calor

“adicionado” ou “retirado” do sistema durante um processo cíclico.

Com base nesse resultado, é possível dizer que “entra” ou “sai” calor do

sistema durante cada ciclo?

REFERÊNCIAS:

[1] SERWAY, Raymond A; JEWETT, John W. Princípios de Física: volume 2:

oscilações, ondas e termodinâmica. São Paulo: Pioneira Thomson Learning,