Entender a transformação adiabática 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, 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 transformação isotérmica e a adiabática são as 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 que serve de referência para medições de rendimento das máquinas térmicas em geral. A Máquina de Carnot será estudada posteriormente e ela nada mais é que um conjunto de duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas, que acontecem em uma ordem específica, de modo a se obter o maior rendimento possível que uma máquina térmica pode ter.

Depois desta introdução 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.

1) suponha um recipiente de volume facilmente variável (dotado de êmbolo móvel) e de paredes feitas de material com baixíssimo coeficiente de condutibilidade térmica (que não permitem troca de calor com o meio). O que acontece com o gás contido nesse recipiente quando ele se expande sem ter recebido energia térmica do meio? [o gás aumenta de volume, realizando trabalho...]

2) suponha agora que, sobre este êmbolo há um objeto, um tijolo, por exemplo. Com a movimentação do êmbolo este tijolo será movido para cima, ou seja, ele receberá trabalho. Pergunta-se, o que aconteceu com a energia interna ΔU do sistema dado que houve a realização de trabalho sem que tenha entrado energia térmica no sistema? [reduziu-se transformando-se em trabalho realizando 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 recebimento de energia térmica pelo gás então Q = 0;

b) a energia interna do sistema reduziu-se (ΔU < 0, pois houve redução da temperatura do gás). Esta parcela de redução foi toda entregue ao meio externo por realização de trabalho sobre o meio (elevação do tijolo);

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

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

Dê agora em exemplo de aplicação prática.

Diga aos alunos que esta transformação é uma adiabática e é o que acontece, aproximadamente, no pistão de um automóvel, quando da compressão da mistura de ar e combustível com a subida do pistão, após a injeção. A pressão e a temperatura sofrem rápida elevação em consequência da diminuição do volume, provocada pelo movimento do pistão, num processo aproximadamente adiabático, devido à velocidade com que acontece.

Ela acontece outra vez após o aumento da energia interna dos gases resultantes da queima. O pistão é empurrado para baixo, realizando trabalho, com um rápido aumento de volume e diminuição de pressão, processo este também considerado adiabático.

Peça a eles agora para discutirem entre si o processo inverso, ou seja, levando-se em consideração o mesmo recipiente, o que aconte ce quando se fornece trabalho para o sistema sem que haja o recebimento de energia térmica do meio externo. Peça para usarem a seguinte convenção:

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

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

-- aumento da energia interna do sistema é positivo (ΔU> 0);

-- redução da energia interna do sistema é negativo (ΔU < 0);

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

Dê então um outro exemplo prático.

Diga aos alunos que esta transformação acontece, aproximadamente, no pistão de um automóvel, quando da compressão da mistura de ar e combustível, após a injeção. A pressão e a temperatura sofrem rápida elevação em consequência da diminuição do volume, provocada pelo trabalho realizado sobre o pistão, num processo adiabático, devido à velocidade com que acontece.

Para finalizar discuta comparativamente, à luz da convenção citada, que no primeiro caso ΔU e τ_gás têm sinais opostos (ΔU < ; 0, pois houve redução da energia interna do sistema com redução de temperatura do gás, e τ_gás > 0, pois o sistema realizou tr abalho) e que na situação inversa ΔU e τ_gás também têm sinais opostos (ΔU > 0, pois houve aumento da energia interna do sistema com aumento da temperatura do gás, 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 provocando variação na temperatura do gás contido no recipiente dotado de êmbolo móvel, sem que tenha havido entrada ou saída de energia térmica do meio. 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 adiabáticas, tanto de compressão quanto de expansão.