Como o calor se transforma em trabalho?

Q: Por que não se pode converter completamente calor em trabalho?

É impossível transformar todo calor em trabalho. O que está relacionado com o fato de que o calor não flui espontaneamente de um corpo frio para um corpo quente.

A Termodinâmica é a parte da Física que estuda principalmente a transformação de energia térmica em trabalho.

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Como é que o calor faz trabalho?
Quem transformou o trabalho em calor?
Por que não se pode converter completamente calor em trabalho?
Pode se converter todo o calor de uma fonte quente em trabalho?

A utilização direta desses princípios em motores de combustão interna ou externa, faz dela uma importante teoria para os motores de carros, caminhões e tratores, nas turbinas com aplicação em aviões, etc.

1. Trabalho em uma Transformação Isobárica

A transformação isobárica, como o nome diz, é uma transformação em que variam somente o volume e a temperatura de um gás, sendo a pressão mantida constante.

Nesse caso o trabalho realizado pode ser expresso por:

Caso haja uma expansão (aumento de volume) o trabalho será positivo; em caso contrário, numa contração do gás, o trabalho será negativo.

2. Energia Interna dos Gases

Um gás que possua uma temperatura diferente do zero absoluto (0 K) possui uma energia cinética interna representada pela energia cinética de suas partículas em movimento:

3. Primeiro Princípio da Termodinâmica

“Se um sistema gasoso recebe energia na forma de calor externo (Q), essa energia pode ser armazenada ou pode se transformar em trabalho”.

A variação de energia interna pode ser expressa por:

Para as diferentes transformações o resumo do Primeiro Princípio da Termodinâmica seria:

3.1. Transformação isotérmica (sem variação de temperatura)

Ou seja, na transformação isotérmica todo calor cedido pelo meio é transformado em trabalho de expansão do gás e, mesmo não havendo variação de temperatura, há troca de calor com o meio externo.

3.2. Transformação isobárica (sem variação de pressão)

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O calor externo será:

3.3. Transformação isocórica (sem variação de volume)

3.4. Transformação adiabática (sem troca de calor com o ambiente externo)

4. Teorema de Carnot

Uma máquina térmica, para funcionar de maneira contínua, deve receber o calor de uma fonte quente (Q1) a uma certa temperatura (T1), transformar parte dessa energia em trabalho e devolver o restante (Q2) para uma fonte fria a uma temperatura (T2), sendo que (T2

O rendimento dessa máquina será:

Com as energias térmicas em módulo.

E, segundo o Teorema de Carnot, o rendimento máximo de uma máquina térmica será:

Obs.: nas máquinas frigoríficas a definição acima ficará:

Na máquina térmica frigorífica, a intenção é utilizar uma fonte de energia mecânica externa, por exemplo, um motor elétrico, para transferir calor de uma fonte de menor temperatura para uma de maior temperatura.

Exercícios

1. (Vunesp-SP) A energia interna U de uma certa quantidade de gás, que se comporta como gás ideal, contida em um recipiente, é proporcional à temperatura T, e seu valor pode ser calculado utilizando a expressão U=12,5T. A temperatura deve ser expressa em kelvin e a energia, em joules. Se inicialmente o gás está à temperatura T =300 K e, em uma transformação a volume constante, recebe 1 250 J de uma fonte de calor, sua temperatura final será:

a) 200 K
b) 300 K
c) 400 K
d) 600 K
e) 800 K

2. (Mackenzie-SP) Um gás, contido em um recipiente dotado de um êmbolo que pode se mover, sofre uma transformação.
Nessa transformação fornecemos 800 cal ao gás e ele realiza o trabalho de 209 J. Sendo 1 cal=4,18 J, o aumento da energia interna desse gás foi de:

a) 209 J
b) 3 135 J
c) 3 344 J
d) 3 553 J
e) 3 762 J

3. (Uema) Sobre um sistema realiza-se um trabalho de 3 000 J e, em resposta, ele fornece 500 cal de calor durante o mesmo intervalo de tempo. A variação de energia interna do sistema durante esse processo é:
(Dado: 1 cal =4,2 J.)

a) 2 500 J
b) 2900 J
c) 900 J
d) 2 100 J
e) 22 100 J

Respostas:

1. c
2. b
3. c

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calor
física
Resumo
Termologia

Como é que o calor faz trabalho?

Se o sistema absorve calor de um fonte térmica, sua energia interna irá aumentar fazendo com que o gás realize trabalho para manter e se o sistema perder calor, sua energia interna irá diminuir permitindo com que o sistema receba trabalho.

Quem transformou o trabalho em calor?

Joule desenvolveu uma experiência que se tornou famosa por para determinar a quantidade de trabalho necessária para elevar de um grau Celsius a temperatura de um grama de água. O aparelho de Joule transforma energia potencial de corpos que caem presos a um fio inextensível em trabalho realizado sobre a água.

Por que não se pode converter completamente calor em trabalho?

"É impossível transformar todo calor em trabalho". O que está relacionado com o fato de que o calor não flui espontaneamente de um corpo frio para um corpo quente.

Pode se converter todo o calor de uma fonte quente em trabalho?

A Segunda Lei da Termodinâmica que diz que é impossível transformar todo calor em trabalho, reflete o fato de que nenhuma máquina térmica tem 100% de eficiência, portanto, o rendimento de tais máquinas é sempre inferior a 100%.