Entender a transformação isotérmica e a importância dela no estudo das máquinas térmicas convencionais, bem como no entendimento da Máquina de Carnot.

Entender a transformação isotérmica e a importância dela no estudo das máquinas térmicas convencionais, bem como no entendimento da Máquina de Carnot.

Temperatura na escala Absoluta (ou Kelvin), calor, pressão, volume, Lei de Boyle, gases perfeitos e 1^a Lei da Termodinâmica.

Comece dizendo aos alunos que o estudo das transformações termodinâmicas é necessário para o entendimento do funcionamento de máquinas térmicas como geladeiras, motores de combustão interna, usinas nucleares e termo-elétricas, entre outras. Diga depois que, das transformações termodinâmicas particulares que serão estudas, a isotérmica é uma das duas mais importantes para se entender o funcionamento das máquinas térmicas ditas convencionais, além de permitir também o entendimento da Máquina de Carnot, que é uma máquina térmica especial estudada posteriormente, e servirá de referência para medições de rendimento das máquinas térmicas em geral.

Faça então uma breve revisão sobre a Lei de Boyle. Depois faça a seguinte sequência de perguntas para os alunos. Entre colchetes está uma das prováveis respostas corretas apenas para orientação do professor. Após cada uma das perguntas deixe que interajam entre si com o objetivo de chegarem à provável resposta correta usando apenas o conhecimento do dia-dia que já possuem do assunto, bem como o conhecimento teórico já fornecido pelo professor sobre o conteúdo. Depois, se necessário, discuta mais a resposta correta com eles para acrescentar outras informações importantes que por ventura ainda não tenham sido esclarecidas.

1) suponha um recipiente de volume facilmente variável (dotado de êmbolo móvel). O que acontece com um gás, contido nesse recipiente, quando se fornece uma certa quantidade Q de energia térmica para o gás? [o gás aumenta de volume...]

2) suponha agora que, sobre este êmbolo há um objeto, um tijolo, por exemplo. Com o deslocamento do êmbolo este tijolo será movido para cima, ou seja, ele receberá trabalho. Suponha também que não houve variação da temperatura do gás. Pergunta-se, o que aconteceu com a energia Q fornecida ao sistema? [transformou-se em trabalho realizado sobre o tijolo...]

Explique agora para eles o que acontece com o sistema, esquematicamente, por intermédio da Figura 1. Depois, matematicamente, à luz da 1^a Lei da Termodinâmica, usando os passos abaixo:

a) se não houve variação de temperatura então ΔU = 0 (não houve aumento na temperatura do gás);

b) a energia Q que entrou no sistema, como não provocou a variação de energia interna, foi toda entregue ao meio externo realizando-se trabalho sobre o meio (elevação do tijolo);

c) matematicamente, o que aconteceu pode ser calculado da seguinte maneira:

ΔU = Q – τ_gás → 0 = Q – τ_gás → Q = τ_gás.

Dê agora em exemplo de aplicação prática.

Diga aos alunos que esta transformação é uma isotérmica e é o que acontece, aproximadamente, quando se infla um balão de festas. O ar proveniente de seus pulmões possui temperatura constante. À medida que você vai enchendo o balão ele vai aumentando de volume estando o ar em seu interior à uma mesma temperatura.

Diga também que esta transformação acontece nas máquinas térmicas convencionais e na Máquina de Carnot, por duas vezes durante a realização de um ciclo.

Peça a eles agora para discutirem entre si o processo inverso, ou seja, levando-se em consideração o mesmo recipiente, o que acontece quando se fornece trabalho para o sistema provocando-se a redução de volume do recipiente sem aumento da temperatura do gás. Peça para usarem a seguinte con venção:

-- trabalho realizado p elo sistema é positivo (τ_gás > 0);

-- trabalho recebido pelo sistema é negativo (τ_gás < 0);

-- calor recebido pelo sistema é positivo (Q > 0);

-- calor f ornecido pelo sistema é negativo (Q < 0).

Analise depois os resultados a que eles chegaram ao final das discussõe s. É preciso que concluam que, no processo inverso Q = τ_gás e ΔU = 0 , mas Q < 0 e τ_gás < 0. Se não chegarem a essa conclusão o professor deve intervir e conduzi-los a ela mostrando a Figura 2.

Para finalizar discuta comparativamente, à luz da convenção citada, que no primeiro caso Q e τ_gás têm sinais positivos (Q > 0, pois o sistema recebeu calor e, τ_gás > 0, pois o sistema realizou trabalho) e que na situação inversa Q e τ_gás têm sinais negativos (Q < 0, pois o sistema cedeu calor e, τ_gás < 0, pois o sistema recebeu trabalho).

Transformações gasosas

Aprenda mais sobre a Transformações isotérmicas:

BrasilEscola: http://www.brasilescola.com/fisica/principio-termodinamica.htm

Simulador Stefanelli : http://www.stefanelli.eng.br/webpage/simtermo/p_sim_tp.html

Wikipedia : http://pt.wikipedia.org/wiki/Termodin%C3%A2mica

NEWTON, V.B; HELOU, R.D.; GUALTER, J.B. Tópicos de Física 2 – Termologia, Ondulatória e Óptica. São Paulo: Editora Saraiva, Vol. 2, 448p., 18^a Ed., 2007.

Elabore questões teóricas e práticas sobre esse assunto. Nas questões teóricas explore a relação entre pressão e volume quando não há variação na temperatura do gás contido no recipiente dotado de êmbolo móvel. Nas questões práticas faça os alunos realizarem cálculos que envolvam a equação que explica matematicamente a 1^a Lei da Termodinâmica quando aplicada a transformações isotérmicas, tanto de compressão quanto de expansão.