Leis da Termodin?mica
Autor e Co-autor(es)
Daniel Rodrigues Ventura, Edson Lu?s Nunes
Estrutura Curricular
| Modalidade / Nível de Ensino | Componente Curricular | Tema |
|---|---|---|
| Educa??o de Jovens e Adultos - 2? ciclo | Ci?ncias Naturais | Vis?es de mundo |
| Ensino M?dio | F?sica | Calor, ambiente e usos de energia |
Dados da Aula
O que o aluno poderá aprender com esta aula
- A Rela??o do princ?pio da conserva??o da energia com a primeira lei da termodin?mica.
- O princ?pio da impossibilidade de uma m?quina t?rmica, operando em ciclos, converter 100% de energia t?rmica em energia mec?nica.
- A tend?ncia da diminui??o de energia t?rmica dispon?vel de um sistema termodin?mico.
Duração das atividades
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno
M?quinas t?rmicas, Ciclo de Carnot.
Estratégias e recursos da aula
O professor poder? montar dispositivo, cujo mecanismo ? o mesmo da m?quina de Heron, e no in?cio da aula, expor para a turma seu funcionamento. A montagem ? bastante simples e o material bem acess?vel
Material:
Uma latinha de refrigerante de 250 ml.
Um prego fino.
Cerca de 1 metro de barbante ou linha forte.
Uma vela.
Procedimento da montagem:
1. Com um prego fino fa?a um furo em um ponto m?dio na lateral da latinha.
2. Fa?a um segundo furo diametralmente oposto ao primeiro, esquema A da Figura 01.
3. Deixe escoar todo o refrigerante de dentro da latinha.
4. Recoloque o prego em cada furo e posicione-o o mais tangente poss?vel ? parede da lata, em sentidos opostos, de tal modo que ao serem empurrados pela sa?da do vapor forme torques como um bin?rio.
5. Amarre o barbante ou fio de nylon de forma que ao ser suspensa a latina fique verticalmente como na Figura 01.
6. Coloque cerca de 50 a 100ml de ?gua na latinha.
7. Pendure a latinha num suporte de modo a manter um comprimento de no m?nimo 30 cm, entre a latinha e o ponto de fixa??o no suporte.
Atividade I.
Ao iniciar a aula, fale da m?quina de Heron e apresente o dispositivo para a turma, explicando como ? formado e como dever? funcionar. Depois, convide os alunos, para em grupos observarem de perto o aparelho, em seguida, de forma que todos possam observar o funcionamento do aparato, acenda a vela sob a latina e aguarde a forma??o de vapores. Assim que iniciar o movimento da latinha, pe?a que observem, e fa?a o seguinte questionamento.
Que transforma??o de energia est? ocorrendo no funcionamento desse dispositivo?
- Certamente dever?o perceber que o sistema, a ?gua, dentro da latinha, est? absorvendo calor da vela, e como o vapor for?a a latinha girar, est? produzindo energia mec?nica, ou seja, calor em energia mec?nica, que ? o que faz as m?quinas t?rmicas.
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A partir dessa conclus?o, apresente o esquema da Figura 02, projetando-a numa tela, e explique que, conforme esquema A da figura tem-se um sistema formado por um cilindro contendo um g?s ideal e munido de um ?mbolo; considere que esse ?mbolo possa se deslocar livremente sem atrito. A press?o sobre o ?mbolo ? exercida pela press?o atmosf?rica local e pelo peso de dois blocos sobre o ?mbolo.
Pe?a aos alunos que observem as duas situa??es esquematizadas na figura e certifiquem que na situa??o ilustrada em B, certa quantidade de calor Q foi absorvida pelo g?s do cilindro e que o volume do cilindro aumentou, o g?s se expandiu enquanto n?o houve altera??o da press?o sobre o g?s, exercida pela atmosfera local e os dois blocos.
Pe?a aos alunos que se orientando pelo esquema B da Figura 02, aplicando o princ?pio de conserva??o da energia, determine o balan?o de energia no interior do cilindro.
- Aplicando o princ?pio de conserva??o da energia, dever?o usar um racioc?nio l?gico que a quantidade de energia que entra menos a que sai ? igual ? varia??o da energia interna. Q ? W = (U2 ? U1).
Ao concluir esta rela??o, o professor dever? explicar que esta ? a express?o da primeira lei da termodin?mica cujo princ?pio se baseia na conserva??o da energia. No quadro ? direita na figura est?o algumas rela??es matem?ticas entre as grandezas envolvidas que se aplicam na condi??o ilustrada.
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O professor ent?o dever? explicar que por conven??o considera-se que:
- Quando o sistema absorve calor, Q > 0.
- Quando o sistema cede calor, Q < 0.
- Quando o sistema se expande realizando trabalho, W > 0.
- Quando o g?s ? comprimido realizando um trabalho sobre o sistema, W < 0.
O professor dever? recordar aos alunos que uma m?quina t?rmica opera em ciclos entre duas fontes de temperaturas diferentes, retirando calor da fonte quente, transformando parte dele em trabalho ?til, energia mec?nica, e transferindo parte do calor para uma fonte fria. Dever? tamb?m dizer que teoricamente uma m?quina t?rmica ter? rendimento m?ximo se funcionar segundo o ciclo de Carnot. Nesse caso seu rendimento seria RC = 1 ? T2/T1, em que, RC ? o rendimento de uma m?quina de Carnot, T1 e T2 s?o as temperaturas na escala Kelvin das fontes quentes e frias respectivamente.
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Atividade II
Depois o professor poder? apresentar a Figura 03 que corresponde ao esquema de uma m?quina t?rmica operando entre duas fontes de temperatura T1 e T2 e o esquema de uma m?quina que transforma integralmente todo o calor retirado da fonte quente, Q1 em trabalho, ou seja, com rendimento 100 %.
Pergunte para a turma responder oralmente: o que se pode dizer do rendimento da m?quina t?rmica representada pelo diagrama da esquerda na Figura 03?
Qual o rendimento da m?quina t?rmica representada pelo diagrama ? direita na figura?
Pe?a aos alunos que individualmente, numa folha ou caderno, calcule a temperatura T2 nesse esquema.
- Considerando que pelo esquema a m?quina libera uma quantidade de calor Q2 para a fonte fria seu rendimento ser? (1 ? Q2/Q1), portanto menor que 1.
- No esquema ? direita, o rendimento ser? (1 ? 0/Q1), ou seja, ou rendimento igual a 1 ou 100%.
- Para rendimento m?ximo ser? for?osamente uma m?quina de Carnot.
- RC = 1 ? T2/T1
- 1 = 1 - T2/T1
- T2/T1 = 0
- T2 = 0K
- A temperatura 0K ? teoricamente imposs?vel de ser atingida, portanto tal m?quina t?rmica n?o existe.
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Ap?s resolver os exerc?cios, e discutir a impossibilidade de construir uma m?quina t?rmica que operando em ciclos converta todo o calor que recebe em trabalho, o professor dever? enunciar a segunda lei da termodin?mica.
? imposs?vel construir um dispositivo t?rmico, que operando em ciclos, transforme integralmente em trabalho todo calor que recebe.
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Atividade III
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Depois o professor poder? expor aos alunos a base do conceito termodin?mico de entropia. Entropia ? uma grandeza f?sica que caracteriza o grau de desorganiza??o das part?culas de um sistema. A entropia est? relacionada com a quantidade de energia dispon?vel do sistema, sendo essas grandezas inversamente proporcionais, ou seja, quanto maior a entropia menor a quantidade de energia dispon?vel.
Ap?s explica??o, divida a turma em grupos de 3 ou 4 indiv?duos e pe?a para discutirem e responderem as seguintes perguntas.
Se num sistema tivermos apenas um recipiente de ?gua quente encostado em outro com ?gua fria, ? poss?vel produzir trabalho a partir deles? Como?
Mantendo os dois recipientes em contato, depois de algum tempo o que se pode esperar que ocorra, de acordo com os conhecimentos termodin?micos?
Diminuiu ou aumentou a quantidade de energia do sistema? O que se pode dizer da quantidade de energia dispon?vel, ou seja, da entropia do sistema?
Depois de cerca 3 a 5 minutos, pe?a alguns grupos para lerem a sua resposta, fa?a os coment?rios que julgar pertinente fornecendo a resposta a cada questionamento.
? Teoricamente ? poss?vel construir um dispositivo, m?quina t?rmica, que retira calor da ?gua quente, converta parte do calor em trabalho e cedendo parte do calor para a ?gua fria.
? O calor fluir? da ?gua mais quente para a fria at? que ambas fiquem ? mesma temperatura.
? A quantidade de energia total do sistema se manteve inalterada, mas a quantidade de energia dispon?vel diminuiu. N?o h? mais duas fontes de temperaturas diferentes, portanto n?o ? poss?vel converter calor em trabalho. Diminuiu a energia dispon?vel, a entropia aumentou.
Informe ent?o que em um processo isot?rmico, pode-se calcular a varia??o da entropia de um sistema, (DS), dividindo a quantidade de calor envolvida no processo (Q) pela temperatura Kelvin, T, em que ocorreu o processo. DS = Q/T.
Mais uma vez pe?a que os grupos resolvam o seguinte exerc?cio:
Uma garrafa t?rmica isolada cont?m 0,50 kg de gelo sob press?o de 1,0 atm e temperatura de 0oC. Todo o gelo se derrete transformando em ?gua a zero grau Celsius. Calcule quanto variou a entropia na garrafa?
? DS = Q/T
? Q = mLf; Q = 500g.80cal/g; Q = 40.103 Cal
? DS = 40.103Cal/273K
? DS = 147Cal/K
Se for poss?vel, havendo tempo, termine sua aula apresentando uma anima??o sobre rendimento de algumas m?quinas t?rmica, link abaixo.
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Sugerimos que o professor acesse o site abaixo sobre aquecimento global; ap?s fazer uma aprecia??o do conte?do, convide colegas de outras disciplinas; Geografia, Biologia, Qu?mica, talvez outras, para fazer o mesmo. Depois, programem uma apresenta??o interdisciplinar para os alunos, cabendo a cada professor fazer seus coment?rios que julgarem relevantes, e se achar conveniente, sugerir atividades a serem realizadas pelos alunos.
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Recursos Educacionais
| Nome | Tipo |
|---|---|
| Termodin?mica - Rendimento T?rmico | Anima??o/simula??o |
| A f?sica e o cotidiano - Fique sabendo ! - Aquecimento Global | Anima??o/simula??o |
Recursos Complementares
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Acesse os seguintes textos e filme sobre o conte?do da aula:
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Primeira lei da termodin?mica
http://alkimia.tripod.com/cientificos/1_lei.htm
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Telecurso2000 - Aula 27/50 - F?sica - Leis da Termodin?mica
http://www.youtube.com/watch?v=jPRabgYgB3Q
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A segunda lei da termodin?mica
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A segunda lei da termodin?mica
Avaliação
Um dos grandes desafios enfrentados pelos inventores ? o da constru??o de uma m?quina que funcione continuamente e gerando a pr?pria energia que consome para trabalhar (moto-cont?nuo ou moto de funcionamento perp?tuo), mas as leis da f?sica mostram que ? um sonho imposs?vel de ser realizado.
Divida os alunos em equipes de 6 alunos para que fa?am uma pesquisa sobre o que ? o dispositivo denominado de moto-cont?nuo ou moto de funcionamento perp?tuo, bem como um projeto de um modelo vi?vel de tal dispositivo ou a justificativa da inviabilidade de constru??o de um engenhoso aparato com tal caracter?stica.