Entender as informações contidas num diagrama termodinâmico em função da transformação que ele representa.

Transformações termodinâmicas particulares (isotérmica, isométrica, adiabática e isobárica), Primeira Lei da Termodinâmica, Energia interna e trabalho.

Comece dizendo aos alunos que os diagramas termodinâmicos são também conhecidos pelo nome de Diagramas de Clapeyron. Eles representam graficamente a relação matemática existente entre as variáveis de estado de um gás perfeito (pressão, temperatura e volume), relação essa tomada entre os valores dessas variáveis nos estados inicial e final.

Pergunte aos alunos, apenas para efeito de revisão, o que é uma transformação termodinâmica. Quando algum deles der a resposta correta peça então para que deem exemplos de transformações conhecidas. A partir daqui, faça, de maneira bem breve, uma pequena revisão da Primeira Lei da Termodinâmica. Só então recomece a falar dos diagramas.

Mostre agora a Figura 1. Pergunte aos alunos se eles sabem calcular a área destacada por sob a curva. Pergunte então se, com base nos valores que cada eixo representa (volume no eixo X e pressão no eixo Y) se sabem dizer o que a área calculada representa. Oriente para que busquem a resposta tomando como base a Primeira Lei da Termodinâmica. Dê um tempo para que discutam entre si em busca da resposta. Se algum aluno der a resposta certa coloque-a no quadro e depois re-explique. Se não, diga o seguinte:

(Figura 1 - Transformação isobárica com aumento de volume - Figura de autoria pessoal)

a) primeiro identifique a transformação para eles, uma isobárica, e mostre no gráfico que tudo se passa à pressão constante;

b) depois, relembre-os que, pela Primeira Lei, o produto da pressão (constante) pela variação de volume (p x Δv) representa o trabalho (τ_gás) realizado sobre o meio nesta transformação;

c) relembre-os então que o trabalho tanto pode ser positivo quanto negativo. Mostre então a Figura 2 e compare-a coma a Figura 1 e deixe claro que em 1 há trabalho realizado pelo sistema, positivo (τ_gás > 0), e, na Figura 2 há trabalho recebido pelo sistema, que é negativo (τ_gás < 0).

(Figura 2 - Transformação isobárica com diminuição de volume - Figura de autoria pessoal)

Mostre agora a Figura 3 e compare as três situações diferenciando-as. Diga que:

(Figura 3 - Diferentes variações de volume nas transformações - Figura de autoria pessoal)

a) no diagrama 1 há trabalho realizado pelo sistema, pois Δv é positivo, o que significa que houve um aumento de volume, portanto tem-se trabalho positivo (τ_gás > 0);

b) no diagrama 2 há trabalho recebido pelo sistema, pois Δv é negativo, o que significa que houve uma diminuição de volume, portanto tem-se trabalho negativo (τ_gás < 0);

c) e que no diagrama 3 não houve variação no volume do sistema, pois Δv é nulo, o que significa que não houve realização de trabalho (τ_gás = 0).

(Figura 4 - Elementos de uma transformção cíclica - Figura de autoria pessoal)

Por fim, explique agora o que é uma transformação cíclica, e o que ela representa. Mostre a Figura 4 e deixe claro que uma transformação cíclica é um conjunto de duas ou mais transformações termodinâmicas que possuem o estado final coincidente com o estado inicial.

(Figura 5 - Transformação cíclica - Figura de autoria pessoal)

Mostre, usando a Figura 5, que num diagrama termodinâmico, a transformação cíclica é representada por uma curva fechada, e o módulo do trabalho resultante trocado com o meio é igual área fechada que representa o ciclo.

Diga aos alunos que as transformações cíclicas são muito importantes no nosso dia-dia pois as máquinas térmicas (como motores de automóvel, máquinas a vapor, usinas nucleares, etc.) funcionam com transformações cíclicas, iguais e repetidas sequencialmente, e que os detalhes deste modo de operação será estudado posteriormente.

Aprenda mais sobre Diagramas termodinâmicos:

UolEducação: http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u14.jhtm 

Uchile: http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_07/cap_07.htm 

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

Elabore questões em que os alunos tenham que calcular trabalho de transformações simples, ou seja, transformações únicas e não cíclicas, com trabalho positivo, negativo ou nulo. Depois introduza as questões de cálculo de trabalho resultante em transformações cíclicas. Para esses cálculos use diagramas cujas figuras geométricas são de área conhecida deles como triângulos e retângulos.

Em questões teóricas pode-se usar figuras geométricas desconhecidas pois não serão realizados cálculos.