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Aplicação da 1ª lei da termodinâmica às máquinas térmicas Básico

Publicado em 03/08/2009 

Ficha de Aprendizagem

Síntese

Introdução à aplicação do 1ª lei da termodinâmica às máquinas térmicas, que permite estabelecer a impossibilidade de se construírem máquinas térmicas que criem energia.

Palavras-chave
  • 1ª lei da Termodinâmica
  • Máquina térmica
  • Energia interna
  • Calor
  • Trabalho
Objectivos de aprendizagem

A aprendizagem neste tópico envolve os seguintes objectivos:

  • Definir máquina térmica;
  • Identificar o princípio de funcionamento de uma máquina térmica, com base na 1ª lei da termodinâmica.
Pré-requisitos

Os seguintes conhecimentos são essenciais para a compreensão deste tópico:

Muitas máquinas têm como objectivo a realização de trabalho, e para o conseguir, utilizam energia que é, muitas vezes, recebida pela máquina sob a forma de calor. As máquinas que recebem energia sob a forma de calor de modo a poderem realizar trabalho, designam-se por máquinas térmicas.

Uma máquina térmica, como o modelo de funcionamento de um motor de um automóvel, é um sistema que executa uma transformação cíclica, isto é, a máquina térmica passa periodicamente pelo mesmo estado. Como os estados inicial e final de um ciclo são os mesmos, a energia interna nesses estados é igual, e assim, a variação de energia interna ao fim de um ciclo é nula.

Deste modo, aplicando a 1ª lei da termodinâmica a uma máquina térmica ao fim de um ciclo:

Equação 1

Segundo a 1ª lei da termodinâmica, o trabalho realizado por uma máquina térmica sobre o exterior (o sinal negativo significa que a máquina realiza trabalho sobre os arredores), é igual à energia recebida sob a forma de calor absorvida por ela.

Por exemplo, num motor de explosão de um automóvel, a energia obtida sob a forma de calor na câmara de combustão devido à explosão da mistura de ar e gasolina, causa a expansão dessa mistura gasosa. Esta expansão empurra um pistão ou êmbolo, realizando trabalho sobre o exterior. De seguida, os gases resultantes da combustão são expelidos para o exterior, entrando novamente para a câmara uma mistura de ar e gasolina, e todo o processo volta a repetir-se, ou seja, é um processo cíclico.

O movimento do êmbolo ou pistão, a que equivale uma certa quantidade de trabalho, apenas acontece porque se fornece energia ao motor e, segundo a 1ª lei da termodinâmica, o trabalho efectivo realizado por uma máquina térmica não pode ser superior à energia recebida sob a forma de calor.

Na realidade, o trabalho realizado é sempre inferior à energia recebida sob a forma de calor, isto é, nem toda essa energia recebida é usada para realizar trabalho. Por exemplo, parte da energia recebida pela máquina sob a forma de calor provoca o aumento da temperatura da máquina (que depois é preciso arrefecer).

Designa-se por máquina de movimento perpétuo de primeira espécie, um tipo de máquina térmica que realiza trabalho efectivo sem que o sistema receba energia, no entanto, a 1ª lei da termodinâmica não permite que tal máquina exista. Qualquer máquina só pode transformar energia, recebida sob a forma de calor em energia cedida sob a forma de trabalho, e nunca pode criar energia a partir do nada.

Autor e Créditos

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Referências Bibliográficas

  • [1] Fiolhais C., Valadares J., Silva L., Teodoro V., Física 10º Ano, Didática Editora, Lisboa, 2000.
  • [2] Fermi, E., Termodinâmica, Almedina, Coimbra, 1973.
 

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