Teorema de Nernst - terceira lei da termodinâmica
-
Upload
victor-said -
Category
Science
-
view
441 -
download
9
Transcript of Teorema de Nernst - terceira lei da termodinâmica
TERCEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
TEOREMA DE NERNST
APRESENTAÇÃO
Discentes:o Jason Levy Reis;o Mateus Barbosa;o Perácio Contreiraso Victor Said;o Victória Cabral.
Docente: Thalisson Andrade;
Disciplina: Física III;
Tema: Terceira lei da Termodinâmica;
Turma: 5832 – Unidade II;
Curso: Automação Industrial.
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia
Departamento Acadêmico de Automação e Sistemas
Coordenação de Automação Industrial
Salvador
2014
2
OBJETIVO
A terceira Lei da termodinâmica foi formulada em 1905 por WaltherNernst, e através dela foi possível compatibilizar a ideia de ZeroAbsoluto, com a concepção da Mecânica Quântica, de que nãoexiste repouso absoluto, devido a alguma agitação residual.
3
INTRODUÇÃO
Esse trabalho tem como objetivo fazer uma abordagem sobre aterceira terceira Lei, apresentando seus criadores, suas aplicações econsequências. A fim de possibilitar essa abordagem a principalmetodologia emprega foi a revisão de literatura, que se fundamentouutilizando artigos científicos, websites e banco de dados virtuais.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICAPrimeira e segunda lei da termodinâmica: o conceito de Entropia
4
RESUMO: 1ª E 2ª LEI DA TERMODINÂMICA
Primeira Lei
• Conservação de Energia;
• Calor e Trabalho;
• Não explica condições necessárias para a reação.
5
Segunda Lei
• Funcionamento de Máquinas
Térmicas;
• Calor não pode ser convertido
integralmente em trabalho.
• Fluxo de corpo mais frio para
corpo mais quente pode ocorrer
desde que haja trabalho.
ESPONTANEIDADE
• Mudança Espontânea ocorre sem a necessidade de ser induzida.
• Mudança Induzida ou Forçada.
• Não é necessariamente rápida.
• Na mudança espontânea a energia e matéria tendem a se tornardesordenadas.
6
• A desordem é Medida pela Entropia.
• Segunda Lei da Termodinâmica.
• A variação da Entropia é dada pela seguinte equação:
ENTROPIA NA 2ª E 3ª LEI DA TERMODINÂMICA
7
Onde:
• ∆𝑆 = Variação da Entropia (J/K);
• 𝑞𝑟𝑒𝑣 = Energia Transferida (J);
• 𝑇 = Temperatura (k).
“A entropia de um sistema isolado aumenta no
decorrer de uma mudança espontânea”∆𝑆 =
𝑞𝑟𝑒𝑣𝑇
EXEMPLO
Um frasco grande de água foi colocado em contato com umaquecedor, e 100j de energia foram transferidos reversivelmente àágua a 25°C. A variação da entropia da água é:
8
∆𝑆 =𝑞𝑟𝑒𝑣
𝑇→ ∆𝑆 =
100 𝐽
273,15+25 𝐾→ ∆𝑆 =
100 𝐽
298𝐾→
∆𝑆 = +0,336𝐽
𝐾→ ∆𝑆 = +0,336𝐽. 𝐾−1
ENTROPIA
• Transferência de Energia GeraDesordem no Sistema.
• A desordem é maior quando atemperatura é baixa.
• A Entropia é uma função deEstado.
• A temperatura gera influência.
9
• A 2ª Lei fala sobre a origem das
mudanças químicas, entropia e
energia livre.
• A 3ª Lei surge para estabelecer
uma escala, um ponto de
referencia absoluto.
A TERCEIRA LEI DA TERMODINÂMICA TEOREMA DE NERNST
10
A 3ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Em 1906, nernst enunciou:
― “Em qualquer reação envolvendo somente sólidos cristalinos, a variaçãoda entropia é nula”.
• Em 1923, Planck:
― reformula o enunciado da terceira lei, expandindo seu conceito egeneralizando-a.
11
lim𝑇→0
∆𝑆 = 0
ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE MATÉRIA E SUA ESTRUTURA
12
ORGANIZAÇÃO/ORDEM MOLECULAR
Gás
Menos organizado
Líquido
Menos organizado
Sólido
Mais ordenadoFonte: WHITE, 2005.
A 3ª LEI DA TERMODINÂMICA
A terceira lei pode ser enunciada do seguinte modo, ainda:
13
Desse modo, pode-se constatar o seguinte:
• Quando T → 0 K, S0 = 0; isto é, a entropia de toda a matéria seria igual noZero Absoluto;
• Consequentemente, a matéria entraria em estado de ordenação absolutae não em estado de repouso absoluto;
• Para Nernst, esse fenômeno era apenas possível com retículos cristalinosperfeitos, mas sabe-se que esse estado apenas é alcançado com a gases;
• É possível calcular “valores absolutos de entropia”.Fonte: BOTTA e ANDREETA, 2014.
A 3ª LEI DA TERMODINÂMICA
Assumindo a veracidade das constatações anteriores, é possível constatarainda:
• Todas as substâncias tem o mesmo valor de entropia em 0 K;
• Assume-se que esse valor é nulo;
• A partir disso, torna-se possível estabelecer o ponto zero, o qual é o meio deobtenção para a medida da entropia e da entropia absoluta;
• O cálculo independe da: energia interna, da entalpia
• Apesar da lei não especificar se o sistema deve estar em equilíbrio com omeio externo, ela define que é necessário equilíbrio interno;
• Assume-se que não há influência da pressão;
• O teorema de Nernst aplica-se a gases, mas não a soluções líquidas ousólidas;
14
Fonte: BOTTA e ANDREETA, 2014.
APLICAÇÕES DA TERCEIRA LEI
15
CONDENSADO DE BOSE EINSTEIN
• O condensado de Bose Einsteinfoi previsto em 1925, por AlbertEinstein baseado na teoria deBose.
• O primeiro condensado dessetipo a ser fabricado emlaboratório foi criado em 1995por Eric Cornell e Carl Wieman,que o produziram a partir deátomos de Rubídio a 170 nanokelvin.
16
Carl Wieman e Eric Cornell Satyendra Nath Bose
CONDENSADO DE BOSE EINSTEIN
• O condensado de Bose Einstein é um estado damatéria no qual os átomos se comportam como umúnico objeto quântico, ou seja, os átomos perdem suaindividualidade e passam a agir como se fossem um.
• Ele é relacionado ao fenômeno da superfluidez, quefoi observada em 1937 ao resfriar átomos de Hélio atemperaturas abaixo de 2 Kelvin
17
Há controvérsias no mundo acadêmico
sobre o condensado de Bose Einstein ser ounão o quinto estado da matéria.
CONDENSADO DE BOSE EINSTEIN
• Após a descoberta do condensado deBose Einstein outros estudos foramrealizados e dentre as descobertaspodem-se destacar o raio atômico euma propriedade do condensado quefaz com que ele imploda e explodaem seguida.
• O primeiro raio atômico foi feito porKetteler, ao fazer com que gotas deum condensado de Bose Einsteinconstituído de átomos de sódiocaíssem em pingos de um único ponto.
18
Tipos de raio atômico
RELAÇÃO DE GRÜNEISEN: DEDUÇÃO SIMPLIFICADA
19
Onde:
∆𝐺 = Energia Livre de Gibbs
∆𝐻 = Variação de Entalpia
∆𝑆 = Variação de Entropia
𝑇 = Temperatura
𝑑 = derivada
𝛿 = derivada parcial em função de
uma das variáveis (índice)
𝑝 𝑐𝑡𝑒= pressão constante
Onde:
𝐶𝑝 = Capacidade Calorífica com
pressão constante
𝐶𝑣 = Capacidade calorífica com
volume constante
∆𝑆 = Variação de Entropia
T = TemperaturaFonte: BOTTA e ANDREETA, 2014.
20
Onde:
𝑆 = Entropia
𝑝 = Pressão
𝑇 = Temperatura
𝛿 = derivada parcial em função de
uma das variáveis (índice)
𝑉 = Volume
RELAÇÃO DE GRÜNEISEN: DEDUÇÃO SIMPLIFICADA
Fonte: BOTTA e ANDREETA, 2014.
21
Onde:
𝑆 = Entropia
𝑝 = Pressão
𝑇 = Temperatura
𝛿 = derivada parcial em função de
uma das variáveis (índice)
𝛼 = coeficiente de expansão
térmica volumétrica
𝛽 = Compressibilidade
Continuação
RELAÇÃO DE GRÜNEISEN: DEDUÇÃO SIMPLIFICADA
Fonte: BOTTA e ANDREETA, 2014.
RELAÇÃO DE GRÜNEISEN22
𝛾 =𝛼𝑉
𝛽𝐶𝑣
Fonte: BOTTA e ANDREETA, 2014.
Associa através de uma constante γ,que é independente da temperatura.
• compressibilidade;
• coeficiente de expansão térmica;
• capacidade calórica;
• volume.
Onde:
𝛼 = coeficiente de
expansão térmica
volumétrica
𝛽 = Compressibilidade
𝑉 = Volume
𝐶𝑣 = Capacidade calorífica
com volume constante
CONSEQUÊNCIAS DA TERCEIRA LEI
23
CONSEQUÊNCIAS
"É impossível através de qualquer procedimento, não importa o quão idealizado, reduzir a temperatura de qualquer sistema à temperatura zero em um finito número de finitas operações“
Guggenheim, E.A.
24
Suponha que a temperatura de uma substância pode ser reduzidaem um processo isentrópico. Pode-se pensar numa configuração dedesmagnetização nuclear de múltiplos estágios aonde o campomagnético é ligado e desligado de forma controlada. Se houvesseuma diferença na entropia no zero absoluto T = 0 poderia seralcançado em um número finito de operações. Contudo, durante T = 0não há diferença na entropia, então um número infinito de operaçõesseria necessário.
25
CONSEQUÊNCIAS
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Ao longo deste trabalho foi possível efetuar uma análise da terceiralei da termodinâmica, explanando sobre seus criadores e sobre aimportância prática e teórica para a física. Ressalta-se a importânciadeste seminário para o curso de Física, ministrado no Instituto Federalde Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia – Câmpus Salvador, noqual as aulas sobre termodinâmica foram complementadas com estetrabalho.
26
REFERÊNCIAS
• BOTTA, W.; ANDREETA, M. Termodinâmica dos Sólidos. São Paulo: Universidade Federal de São Carlos, Departamento de Engenharia de Materiais, [s.a.]. Disponível em: <http://goo.gl/NZZHjQ>. Acesso em: 20 nov.2014.
• GUGGENHEIM, E.A. (1967). Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists, fifth revised edition, North-Holland Publishing Company, Amsterdam, page 157.
• HANGLEY, Edward et al. The Atom Laser. An Optics and Photonics News, may 2001.
• JUNIOR, Osvaldo Pessoa. Condensados Bose-Einstein. Disponível em: <www2.uol.com.br>. Acesso em: 15 dez. 2014.
• UFC. O que é o CONDENSADO DE BOSE/EINSTEIN?. In: Queremos saber: pergunta respondida. Disponível em: <http://goo.gl/xbqc2R>. Acesso em: 15 dez. 2014.
• WHITE, D. P. Capítulo 19: termodinâmica química. In: química a ciênciacentral. 9. ed. [s.l.]: Pearson Education, 2005.
27