2-CONCEITOS TERMODINÂMICOS

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CONCEITOS TERMODINÂMICOS
LEI ZERO E PRIMEIRA LEI DA 
TERMODINÂMICA: OS CONCEITOS 
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Contexto/Escala da 
termodinâmica
◼ Estrutura de átomos e moléculas ->
Explica comportamento desde
átomos/moléculas até corpos sólidos
baseado nas leis do movimento e
propriedades das partículas
➢ Mecânica estatística-> Liga propriedades das
moléculas com propriedades macroscópicas
➢ Termodinâmica clássica -> Macroscópica e não
se interessa diretamente com os mecanismos
atômicos/moleculares (hipótese do contínuo)
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O Que é a Termodinâmica?
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Do grego, therme = calor, dynamis = potência
➢reflete os esforços para converter calor 
em trabalho mecânico
Enrico Fermi definiu a Termodinâmica Clássica
como: “Ramo da mecânica que descreve o estado
de um sistema com um número elevado de
partículas (átomos, moléculas) com base no
comportamento médio das partículas”.
Onde se Aplica?
◼ Sua generalidade lhe confere uma ampla
gama de aplicações:
➢ máquinas térmicas, bombas de calor,
propulsão (Eng. Mecânica/química, ...)
➢ radiação/eletromagnetismo/termoeletricidade
(Física, ...)
➢ Reações químicas, transformação de fases e
bioquímicas/evolução dos seres vivos
(Engenharias, Materiais, Química, Biologia, ...)
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Quando e como Nasceu? 
◼ Origem na revolução industrial –
mecanização do trabalho (sec. XIX)
◼ Formalizada como ciência ~1850 (Kelvin e
Clausius)
◼ Ramo das ciências naturais
➢ junção da Mecânica com a Termologia
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Problemas Típicos de 
Termodinâmica em Materiais:
◼ Equilíbrio químico:
➢ reações/transformações e seu rendimento 
(Função dos parâmetros de estado: T, P, 
composição ...)
◼ Ligações químicas (reatividade,
compatibilidade, estrutura)
➢ Ex. Redução de óxidos, mudança de fase,
tratamento térmicos e termoquímicos, etc ...
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Leis da Termodinâmica : Base
◼ Termodinâmica é baseada em leis.
➢ Cada lei implica na definição de uma nova
propriedade:
➢ lei zero  temperatura
➢ 1ª lei  energia interna
➢ 2ª lei  entropia
➢ 3ª lei  zero absoluto (termodinâmico)
◼ Elas são derivadas de generalizações de
observações  independem das hipóteses
microscópicas!
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Conceitos Fundamentais
da Termodinâmica
▪ Universo
➢ Sistema
➢ Vizinhanças
▪ Sistema
➢ Aberto
➢ Fechado
➢ Isolado
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◼ Trabalho
◼ Há quando um corpo é deslocado contra
uma força que se opõe ao deslocamento;
◼ É equivalente à alteração da altura de um
peso nas vizinhanças do sistema (em um
campo gravitacional).
◼ É energia em transformação;
◼ Energia
◼ É a capacidade de realizar trabalho;
◼ Quando se faz trabalho sobre um sistema
(que não pode trocar energia de outra
maneira), a capacidade de realizar
trabalho aumenta;
◼ Ex: Compressão de uma mola
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◼ Pode haver modificações desta
capacidade de realização de trabalho
sem envolver trabalho:
◼ Mudança de Temperatura: energia
transferida na forma de calor;
◼ Fronteiras:
◼ Diatérmicas
◼ Adiabáticas
◼ Processos
◼ Exotérmicos
◼ Endotérmicos
◼ Isotérmicos
OBSERVAÇÃO
◼ Quando dois corpos, a temperaturas diferentes,
são postos em contato entre si e isolados do meio.
Suas temperaturas serão iguais após algum tempo.
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A LEI ZERO 
◼ Enunciada por Fowler em 1931
◼ “Se dois sistemas estão separadamente em
equilíbrio térmico com um terceiro, então eles
devem estar em equilíbrio térmico entre si”
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EXISTÊNCIA DA TEMPERATURA 
◼ Supor 3 sistemas em equilíbrio descritos por P, v e
T
◼ Se 1 e 3 estão em equilíbrio, existe uma relação entre
P1,P3, v1 e v3, para que T1=T3 ...
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QUE RELAÇÃO 
É ESSA?
TERMÔMETRO DE GÁS IDEAL
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𝜈 =
𝑉
𝑛 𝑅 =
෨𝑅
෩𝑀
𝑛 =
𝑚
෩𝑀
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◼ Propriedade de um Sistema:
◼ É qualquer característica do sistema,
possível de ser constatada.
◼ Estado de um Sistema:
◼ É descrito quando são dados os valores
(únicos) de suas propriedades;
◼ Correlação entre as propriedades.
◼ Função de Estado:
◼ É uma propriedade do sistema cujo valor
depende da condição atual do sistema e não da
maneira como o sistema chegou a tal condição;
◼ Uma função de estado tem um único valor para
determinado estado;
◼ A B  = B -A
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Funções de Estado X Variáveis de 
Processo
◼ Quando um sistema se encontra em um estado A, e
é submetido a uma série de mudanças de estado, de
tal modo a fazê-lo retornar ao mesmo estado A,
dize-se que o sistema realizou um ciclo.
◼ As propriedades do sistema que são função de estado
tem variação nula!!!!
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Funções de Estado X Variáveis de 
Processo
◼ Outras variáveis dependem
explicitamente da natureza do
processo ao qual o sistema é
submetido; elas somente têm
significado para sistemas em processo
de mudança.
◼ São chamadas de variáveis de
processo!!!
◼ Ex: Calor e Trabalho (grandezas
transientes)
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A Primeira Lei
◼ A energia total de um sistema :
◼ Energia Interna: U
◼ Cinética
◼ Potencial
◼ U = Uf – Ui
◼ U é uma função de Estado;
◼ É uma propriedade extensiva;
◼ É medida em Joules (SI) e Umolar
KJ/mol
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Conservação de Energia
◼ Alteração de U pode ser feita:
➢ Trabalho (w) sobre o sistema ;
➢ Aquecimento (q) do sistema;
➢ w e q são formas equivalentes de se alterar U
de um sistema;
◼ Enunciado matemático da 1ª Lei:
U = q + w
“A variação de energia interna de um 
sistema fechado é igual à energia que 
passa, como calor ou trabalho, 
através de suas fronteiras”
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◼ Convenção Aquisitiva:
◼ w>0 e q>0 → Sistema ganha energia;
◼ w<0 e q<0 → Sistema perde energia;
“O trabalho necessário para levar um
sistema de fronteiras adiabáticas de um
estado até outro, tem o mesmo valor
qualquer que seja o tipo de trabalho”
◼ Efetuando wad→ mudança de estado:
i → f:
wad = Uf – Ui = U
◼ Eliminando-se o isolamento térmico:
q = wad – w → q = U - w
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TRABALHO E CALOR
◼ TRABALHO DE EXPANSÃO:
◼ Expansão Livre:
𝑬𝒙𝒑𝒓𝒆𝒔𝒔ã𝒐 𝑮𝒆𝒓𝒂𝒍 𝒅𝒐 𝑻𝒓𝒂𝒃𝒂𝒍𝒉𝒐
𝒘 = −𝑭𝒅𝒛
𝑭 = 𝒑𝒆𝒙𝑨
𝒘 = −𝒑𝒆𝒙𝑨𝒅𝒛
𝒘 = −𝒑𝒆𝒙𝒅𝑽
𝑰𝒏𝒕𝒆𝒈𝒓𝒂𝒏𝒅𝒐 𝒏𝒐 𝒊𝒏𝒕𝒆𝒓𝒗𝒂𝒍𝒐 𝒅𝒆 𝑽𝟏𝒂𝑽𝟐
𝒘 = −න
𝑽𝟏
𝑽𝟐
𝒑𝒆𝒙𝒅𝑽 = −𝒑𝒆𝒙 𝑽𝟐 − 𝑽𝟏
e considerando p = cte
𝒘 = −𝒑𝒆𝒙∆𝑽
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◼ Expansão contra p = cte
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Expansão Reversível
◼ Transformação Reversível:
◼ É uma transformação que pode ser
invertida pela modificação infinitesimal
de uma variável.
◼ Faz-se em cada etapa: pex = p;
◼ Expansão Isotérmica Reversível:
◼ É possível graças ao contato térmico
entre o sistema e suas vizinhanças;
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O Trabalho efetuado
por um gás perfeito
numa expansão iso-
térmica e reversível é
dado pela área suben-
tendida pela isoterma
p=nRT/V.
O trabalho feito na
expansão reversível
é maior que na
expansão
irreversível
𝒘 = −𝒑𝒆𝒙𝒅𝑽
𝒑𝒆𝒙 = 𝒑
𝒘 = −𝒑𝒅𝑽
𝒘 = −
𝒏𝑹𝑻
𝑽
𝒅𝑽
𝒘 = −න
𝑽𝒊
𝑽𝒇 𝒏𝑹𝑻
𝑽
𝒅𝑽
𝒘 = −𝒏𝑹𝑻න
𝑽𝒊
𝑽𝒇 𝒅𝑽
𝑽
𝒘 = −𝒏𝑹𝑻𝒍𝒏
𝑽𝒇
𝑽𝒊
𝒘 = 𝒏𝑹𝑻𝒍𝒏
𝑽𝒊
𝑽𝒇
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TROCAS TÉRMICAS
◼ Em geral: U = dq + dw + dwe
◼ Se V = cte → dw = 0;
◼ Se não há trabalho extra (dwe = 0)
dU = dqv com: q > 0 → calor fornecido a um
sistema;
q < 0 → calor cedido de um
sistema;
“U de um sistema é o q cedido ou
recebido a volume constante”
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CALORIMETRIA
◼ Bomba Calorimétrica:
𝒒 = 𝑪∆𝑻
ou
q = mcT
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CAPACIDADE CALORÍFICA
◼ A energia interna de uma substância aumenta
quando a temperatura se eleva;
◼ O aumento depende de como é feito o aquecimento;
◼ Vamos supor um aquecimento a volume constante:
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Este gráfico mostra a
variação de U quando
o sistema é aquecido
a volume constante.
O coeficiente angular
da tangente à curva
em qualquer T é a
capacidade calorífica
a volume constante.
Observe que, neste
sistema, a capacidade
calorífica em B > A.
𝒄𝑽 =
𝝏𝑼
𝝏𝑻
𝑽
𝒅𝑼 = 𝒄𝑽𝒅𝑻
𝑳𝒐𝒈𝒐,
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ENTALPIA
◼ Se V não é constante: U ≠ q (há wexp)
◼ Definição de entalpia:
H = U + PV
◼ Em termos de calor H é igual a que?
𝑯 = 𝑼+ 𝒑𝑽
𝑯 = 𝒒 +𝒘+ 𝒑𝑽
𝒅𝑯 = 𝒅𝒒 + 𝒅𝒘 + 𝒅 𝒑𝑽
𝒅𝑯 = 𝒅𝒒 − 𝒑𝒅𝑽 + 𝒑𝒅𝑽 + 𝑽𝒅𝒑
𝒅𝑯 = 𝒅𝒒 + 𝑽𝒅𝒑
𝒔𝒆 𝒑 = 𝒄𝒕𝒆 ⟶ 𝒅𝒑 = 𝟎
𝒅𝑯 = 𝒅𝒒
H = qp
Calor trocado à 
pressão 
constante
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Variação de H com T
𝒄𝑽 =
𝝏𝑼
𝝏𝑻
𝑽
𝒄𝒑 =
𝝏𝑯
𝝏𝑻
𝒑𝒅𝑯 = 𝒄𝒑𝒅𝑻
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◼ Para intervalos pequenos de
temperatura, cp é constante.
◼ Para intervalos maiores de
temperatura e considerando gases
ideais monoatômicos é comum o uso da
equação empírica:
Cp,m = a + bT + c/T2
◼ Em temperaturas muito baixas, o cp
de um sólido é proporcional a T3:
Cp = aT3
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Transformações Adiabáticas
◼ O Trabalho numa Transformação
Adiabática:
𝑑𝑈 = 𝑤
𝐶𝑉𝑑𝑇 = −𝑝𝑑𝑉
𝐶𝑉𝑑𝑇 = −
𝑛𝑅𝑇
𝑉
𝑑𝑉
𝐶𝑉
𝑑𝑇
𝑇
= −𝑛𝑅
𝑑𝑉
𝑉
𝐼𝑁𝑇𝐸𝐺𝑅𝐴𝑁𝐷𝑂
𝑪𝑽න
𝑻𝒊
𝑻𝒇𝒅𝑻
𝑻
= −𝒏𝑹න
𝑽𝒊
𝑽𝒇 𝒅𝑽
𝑽
𝑪𝑽𝒍𝒏
𝑻𝒇
𝑻𝒊
= −𝒏𝑹𝒍𝒏
𝑽𝒇
𝑽𝒊
𝑭𝒂𝒛𝒆𝒏𝒅𝒐 𝒄 =
𝑪𝑽
𝒏𝑹
𝒄𝒍𝒏
𝑻𝒇
𝑻𝒊
= −𝒍𝒏
𝑽𝒇
𝑽𝒊
= 𝒍𝒏
𝑽𝒊
𝑽𝒇
𝒍𝒏
𝑻𝒇
𝑻𝒊
𝒄
= 𝒍𝒏
𝑽𝒊
𝑽𝒇
𝑽𝒊𝑻𝒊
𝒄 = 𝑽𝒇𝑻𝒇
𝒄
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c
	Slide 1: CONCEITOS TERMODINÂMICOS
	Slide 2: Contexto/Escala da termodinâmica
	Slide 3: O Que é a Termodinâmica?
	Slide 4: Onde se Aplica?
	Slide 5: Quando e como Nasceu? 
	Slide 6: Problemas Típicos de Termodinâmica em Materiais:
	Slide 7: Leis da Termodinâmica : Base
	Slide 8: Conceitos Fundamentais da Termodinâmica
	Slide 9
	Slide 10
	Slide 11
	Slide 12: OBSERVAÇÃO
	Slide 13: A LEI ZERO 
	Slide 14: EXISTÊNCIA DA TEMPERATURA 
	Slide 15: TERMÔMETRO DE GÁS IDEAL
	Slide 16
	Slide 17: Funções de Estado X Variáveis de Processo
	Slide 18: Funções de Estado X Variáveis de Processo
	Slide 19: A Primeira Lei 
	Slide 20: Conservação de Energia
	Slide 21
	Slide 22: TRABALHO E CALOR
	Slide 23
	Slide 24: Expansão Reversível
	Slide 25
	Slide 26: TROCAS TÉRMICAS
	Slide 27: CALORIMETRIA
	Slide 28: CAPACIDADE CALORÍFICA
	Slide 29
	Slide 30: ENTALPIA
	Slide 31: Variação de H com T
	Slide 32
	Slide 33: Transformações Adiabáticas
	Slide 34