• A Relação do princípio da conservação da energia com a primeira lei da termodinâmica.
• O princípio da impossibilidade de uma máquina térmica, operando em ciclos, converter 100% de energia térmica em energia mecânica.
• A tendência da diminuição de energia térmica disponível de um sistema termodinâmico.

Máquinas térmicas, Ciclo de Carnot.

O professor poderá montar dispositivo, cujo mecanismo é o mesmo da máquina de Heron, e no início da aula, expor para a turma seu funcionamento. A montagem é bastante simples e o material bem acessível

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 faça um furo em um ponto médio na lateral da latinha.

2.      Faça 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 possível á parede da lata, em sentidos opostos, de tal modo que ao serem empurrados pela saída do vapor forme torques como um binário.

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 água na latinha.

7.      Pendure a latinha num suporte de modo a manter um comprimento de no mínimo 30 cm, entre a latinha e o ponto de fixação no suporte.

Atividade I.

          Ao iniciar a aula, fale da máquina de Heron e apresente o dispositivo para a turma, explicando como é formado e como deverá 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 formação de vapores. Assim que iniciar o movimento da latinha, peça que observem, e faça o seguinte questionamento.

Que transformação de energia está ocorrendo no funcionamento desse dispositivo?

• Certamente deverão perceber que o sistema, a água, dentro da latinha, está absorvendo calor da vela, e como o vapor força a latinha girar, está produzindo energia mecânica, ou seja, calor em energia mecânica, que é o que faz as máquinas térmicas.

          A partir dessa conclusão, 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 gás ideal e munido de um êmbolo; considere que esse êmbolo possa se deslocar livremente sem atrito. A pressão sobre o êmbolo é exercida pela pressão atmosférica local e pelo peso de dois blocos sobre o êmbolo.

          Peça aos alunos que observem as duas situações esquematizadas na figura e certifiquem que na situação ilustrada em B, certa quantidade de calor Q foi absorvida pelo gás do cilindro e que o volume do cilindro aumentou, o gás se expandiu enquanto não houve alteração da pressão sobre o gás, exercida pela atmosfera local e os dois blocos.

          Peça aos alunos que se orientando pelo esquema B da Figura 02, aplicando o princípio de conservação da energia, determine o balanço de energia no interior do cilindro.

• Aplicando o princípio de conservação da energia, deverão usar um raciocínio lógico que a quantidade de energia que entra menos a que sai é igual à variação da energia interna. Q – W = (U₂ – U₁).

           Ao concluir esta relação, o professor deverá explicar que esta é a expressão da primeira lei da termodinâmica cujo princípio se baseia na conservação da energia. No quadro à direita na figura estão algumas relações matemáticas entre as grandezas envolvidas que se aplicam na condição ilustrada.

O professor então deverá explicar que por convenção 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 gás é comprimido realizando um trabalho sobre o sistema, W < 0.

          O professor deverá recordar aos alunos que uma máquina térmica opera em ciclos entre duas fontes de temperaturas diferentes, retirando calor da fonte quente, transformando parte dele em trabalho útil, energia mecânica, e transferindo parte do calor para uma fonte fria. Deverá também dizer que teoricamente uma máquina térmica terá rendimento máximo se funcionar segundo o ciclo de Carnot. Nesse caso seu rendimento seria R_C = 1 – T₂/T₁, em que, R_C é o rendimento de uma máquina de Carnot_, T₁ e T₂ são as temperaturas na escala Kelvin das fontes quentes e frias respectivamente.

Atividade II

         Depois o professor poderá apresentar a Figura 03 que corresponde ao esquema de uma máquina térmica operando entre duas fontes de temperatura T₁ e T₂ e o esquema de uma máquina 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 máquina térmica representada pelo diagrama da esquerda na Figura 03?

Qual o rendimento da máquina térmica representada pelo diagrama à direita na figura?

Peça aos alunos que individualmente, numa folha ou caderno, calcule a temperatura T₂ nesse esquema.

• Considerando que pelo esquema a máquina libera uma quantidade de calor Q₂ para a fonte fria seu rendimento será (1 – Q₂/Q₁), portanto menor que 1.
• No esquema à direita, o rendimento será (1 – 0/Q₁), ou seja, ou rendimento igual a 1 ou 100%.
• Para rendimento máximo será forçosamente uma máquina de Carnot.
• R_C = 1 – T₂/T₁
• 1 = 1 - T₂/T₁
• T₂/T₁ = 0
• T₂ = 0K
• A temperatura 0K é teoricamente impossível de ser atingida, portanto tal máquina térmica não existe.
•  

          Após resolver os exercícios, e discutir a impossibilidade de construir uma máquina térmica que operando em ciclos converta todo o calor que recebe em trabalho, o professor deverá enunciar a segunda lei da termodinâmica.

          É impossível construir um dispositivo térmico, que operando em ciclos, transforme integralmente em trabalho todo calor que recebe.

Atividade III

         Depois o professor poderá expor aos alunos a base do conceito termodinâmico de entropia. Entropia é uma grandeza física que caracteriza o grau de desorganização das partículas de um sistema. A entropia está relacionada com a quantidade de energia disponível do sistema, sendo essas grandezas inversamente proporcionais, ou seja, quanto maior a entropia menor a quantidade de energia disponível.

Após explicação, divida a turma em grupos de 3 ou 4 indivíduos e peça para discutirem e responderem as seguintes perguntas.

          Se num sistema tivermos apenas um recipiente de água quente encostado em outro com água fria, é possível 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 termodinâmicos?

          Diminuiu ou aumentou a quantidade de energia do sistema? O que se pode dizer da quantidade de energia disponível, ou seja, da entropia do sistema?

          Depois de cerca 3 a 5 minutos, peça alguns grupos para lerem a sua resposta, faça os comentários que julgar pertinente fornecendo a resposta a cada questionamento.

·        Teoricamente é possível construir um dispositivo, máquina térmica, que retira calor da água quente, converta parte do calor em trabalho e cedendo parte do calor para a água fria.

·        O calor fluirá da água mais quente para a fria até que ambas fiquem à mesma temperatura.

·        A quantidade de energia total do sistema se manteve inalterada, mas a quantidade de energia disponível diminuiu. Não há mais duas fontes de temperaturas diferentes, portanto não é possível converter calor em trabalho. Diminuiu a energia disponível, a entropia aumentou.

Informe então que em um processo isotérmico, pode-se calcular a variação 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 peça que os grupos resolvam o seguinte exercício:

          Uma garrafa térmica isolada contém 0,50 kg de gelo sob pressão de 1,0 atm e temperatura de 0^oC. Todo o gelo se derrete transformando em água a zero grau Celsius. Calcule quanto variou a entropia na garrafa?

·        DS = Q/T

·        Q = mL_f; Q = 500g.80cal/g; Q = 40.10³ Cal

·        DS = 40.10³Cal/273K

·        DS = 147Cal/K

          Se for possível, havendo tempo, termine sua aula apresentando uma animação sobre rendimento de algumas máquinas térmica, link abaixo.

Termodinâmica - Rendimento Térmico 

          Sugerimos que o professor acesse o site abaixo sobre aquecimento global; após fazer uma apreciação do conteúdo, convide colegas de outras disciplinas; Geografia, Biologia, Química, talvez outras, para fazer o mesmo. Depois, programem uma apresentação interdisciplinar para os alunos, cabendo a cada professor fazer seus comentários que julgarem relevantes, e se achar conveniente, sugerir atividades a serem realizadas pelos alunos.

A física e o cotidiano - Fique sabendo ! - Aquecimento Global 

          Acesse os seguintes textos e filme sobre o conteúdo da aula:

Primeira lei da termodinâmica

http://alkimia.tripod.com/cientificos/1_lei.htm

Telecurso2000 - Aula 27/50 - Física - Leis da Termodinâmica

http://www.youtube.com/watch?v=jPRabgYgB3Q

A segunda lei da termodinâmica

http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:xEBjjLP6IeMJ:www.if.ufrj.br/teaching/fis2/segunda_lei/segunda_lei.html+ciclo+de+carnot+refrigerador&cd=3&hl=pt-BR&ct=clnk&gl=br

A segunda lei da termodinâmica

http://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:ZVX4tp19jwkJ:web.ccead.puc-rio.br/condigital/mvsl/Sala%2520de%2520Leitura/conteudos/SL_A_Segunda_Lei_Termodinamica.pdf+experiencias+carnot+refrigerador&hl=pt-BR&gl=br&pid=bl&srcid=ADGEEShw1lLDMcVMk3J9h80NlhwLWRol7F2AK9VTmzUeqzWcb_1WK2C2Iic1ibOi4ZfVELO0zJ5oZ_LrPpALjquSnXhPn6RteyIZJDlCeHW8soVUM-xTKZ0vwVGs-m4HPfT_0NaPQh7c&sig=AHIEtbRjDTcsnNMGHQIUwt23MKOaAOX-5Q

          Um dos grandes desafios enfrentados pelos inventores é o da construção de uma máquina que funcione continuamente e gerando a própria energia que consome para trabalhar (moto-contínuo ou moto de funcionamento perpétuo), mas as leis da física mostram que é um sonho impossível de ser realizado.

          Divida os alunos em equipes de 6 alunos para que façam uma pesquisa sobre o que é o dispositivo denominado de moto-contínuo ou moto de funcionamento perpétuo, bem como um projeto de um modelo viável de tal dispositivo ou a justificativa da inviabilidade de construção de um engenhoso aparato com tal característica.