1 lei da termodinâmica

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  • A PRIMEIRA LEI DAA

    TERMODINAMICA

    irneira lei da termodinmica explica o funcionamentoa loc motiva a vapor. A gua aquecida e ferve, e o

    r -ern expanso realiza o trabalho que impulsiona aomotiva para a frente. Seria possvel o vapor impulsio-a locomotiva realizando trabalho ao condensar?

    oda vez que voc dirige um carro, liga um condicionadorde ar ou usa um eletrodomstico, voc est usufruindodos benefcios prticos da termodinmica, o estudo das

    laes envolvendo calor, trabalho mecnico e outros aspectosenergia e da transferncia de energia Por exemplo, no motorum carro, o calor gerado pela reao qumica do oxignio egasolina vaporizada nos cilindros do motor. O gs aquecidosiona os pistes para dentro dos cilindros, realizando traba-mecnico que usado para impulsionar o carro. Essa trans-

    ormao exemplifica um processo termodinmico.A primeira lei da termodinmica, fundamental para

    entender tais processos, urna extenso do princpio da con-servao da energia. Ela amplia esse princpio para incluirtrocas de energia tanto por transferncia de calor quanto porrealizao de trabalho, e introduz o conceito de energia inter-na de um sistema. A conservao da energia desempenha urnpapel vital em todas as reas das cincias fsicas, e a utilidadeda primeira lei da termodinmica bastante vasta. Para for-mular relaes envolvendo energia com preciso necessriointroduzir o conceito de sistema termodinmico e definir ocalor e o trabalho como dois modos de transferir energia parao interior ou para o exterior desse sistema.

    OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

    Ao estudar este captulo, voc aprender:

    Como representar a transferncia de calor e o trabalho rea-

    lizado em um processo termodinmico.

    Como calcular o trabalho realizado por um sistema termodi-

    nmico quando seu volume varia.

    O que significa caminho entre estados termodinmicos.

    Como usar a primeira lei da termodinmica para relacionar

    transferncia de calor, trabalho realizado e variao da ener-

    gia interna.

    Como distinguir entre processos adiabticos, isocricos, iso-

    bricos e isotrmicos.

    Como sabemos que a energia interna de um gs ideal

    depende de sua temperatura.

    A diferena entre calores especficos a volume e pressoconstantes, e como usar essas grandezas em clculos.

    Como analisar processos adiabticos em um gs ideal.

    Figura 19.1 A pipoca na panela um sistema termodinmico. No preces-so termodinmico mostrado aqui, o calor fornecido ao sistema e a tampada panela desloca-se em virtude do trabalho realizado pelo sistema sobresuas vizinhanas.

    19.1 Sistemas termodinmicosJ estudamos transferncias de energia envolvendo

    trabalho mecnico (Captulo 6) e transferncia de calor(Captulos 17 e 18). Agora estamos preparados para com-binar e generalizar esses princpios.

    251

  • 252 FSICA II

    Falaremos sempre de uma energia transferida paradentro ou para fora de um sistema. O sistema pode ser umdispositivo mecnico, um organismo biolgico ou umadada quantidade de material, tal como o refrigerante emum condicionador de ar ou o vapor que se expande em umaturbina. Um sistema termodinmico qualquer coleode objetos que conveniente encarar como uma unidade, eque tem o potencial de trocar energia com o ambiente. Umexemplo familiar o de quando se faz pipoca em umapanela com tampa. Quando a panela colocada sobre achama do fogo, ocorre transferncia de calor por condu-o para o milho de pipoca; medida que o milho comeaa estalar e se expandir, realiza um trabalho sobre a tampada panela, que sofre um deslocamento (Figura 19.1). Oestado do milho mudou nesse processo, uma vez que ovolume, a temperatura e a presso do milho variaram quan-do ele comeou a estalar. Um processo como esse, no qualocorrem variaes no estado do sistema termodinmico,denomina-se processo termodinmico.

    Na mecnica, usamos normalmente o conceito desistema associado a diagramas de corpo livre e conserva-o da energia e momento linear. Para os sistemas termo-dinmicos e para todos os outros, essencial definir exata-mente logo no incio o que pode e o que no pode ser includono sistema. Somente depois podemos descrever sem ambi-gidade as transferncias de energia para o interior ou parao exterior do sistema. Por exemplo, no processo de prepa-rar a pipoca, definimos o sistema incluindo apenas o milho,mas no a panela, a tampa ou o fogo.

    A termodinmica est ligada a muitos problemas pr-ticos alm do estouro de pipocas (Figura 19.2). O motor deum automvel e o motor a jato de um avio usam o calorde combusto dos respectivos combustveis para impulsio-nar o veculo. O tecido muscular de um organismo vivometaboliza a energia qumica proveniente de alimentospara realizar um trabalho mecnico sobre suas vizinhanas.Um motor a vapor ou uma turbina a vapor usam o calor decombusto do carvo ou de outro combustvel para realizarum trabalho mecnico, tal como acionar um gerador eltri-co ou impulsionar um trem.

    Sinais para o calor e o trabalho natermodinmica

    Descrevemos relaes de energia em muitos proces-sos termo dinmicos em termos da quantidade de calor Qfomecida para o sistema e do trabalho W realizado pelosistema. Os valores de Q e de W podem ser positivos, nega-tivos ou nulos (Figura 19.3). Um valor de Q positivo sig-nifica uma transferncia de calor para dentro do sistema,com um correspondente fluxo de energia para o interior dosistema; Q negativo significa uma transferncia de energiapara fora do sistema. Um valor de W positi vo significa umtrabalho realizado pelo sistema sobre suas vizinhanas, talcomo o trabalho realizado por um gs que se expande e,portanto, corresponde a uma transferncia de energia para

    (a) (b)

    Figura 19.2 (a) O motor de um foguete usa o calor da combusto de se,combustvel para realizar trabalho impulsionando o veculo de lanamento(b) Seres humanos e outros organismos biolgicos so sistemas mascomplicados do que os que podemos analisar detalhadamente neste livromas os mesmos princpios bsicos da termodinmica se aplicam a eles.

    fora do sistema. Um valor de W negativo, tal como o traba-lho realizado durante a compresso de um gs, significa umtrabalho realizado sobre o gs pelas suas vizinhanas e.portanto, corresponde a uma transferncia de energia paradentro do sistema. Usaremos consistentemente essas con-venes neste captulo e no captulo seguinte.

    ATENO Cuidado com o sinal do trabalho Observeque a conveno de sinais para o trabalho realizado oposta conveno adotada na mecnica, quando falvamos sem-pre de um trabalho realizado pela fora que atua sobre umcorpo. Na termodinmica, geralmente mais convenientechamar de W o trabalho realizado pelo sistema, de modoque, quando um sistema se expande, a presso, a variaode volume e o trabalho realizado so grandezas semprepositivas. Preste ateno e use a conveno de sinais docalor e do trabalho consistentemente!

    Teste sua compreenso da Seo 19.1 No Exemplo 1-.-(Seo 17.6), qual o sinal de Q para o caf? E para a xcaraalumnio? Se um bloco desliza ao longo de uma superfcie ho .-zontal com atrito, qual o sinal de W para o bloco? I

    19.2 Trabalho realizado durantevariaes de volume

    Um gs no interior de um cilindro com um pisto m um exemplo simples de sistema termodinmico. Um mde combusto intema, um motor a vapor e os compressores

  • Vizinhanas(ambiente)

    o calor positivoquando entra nosistema, negativoquando sai do sistema.

    o trabalho positivoquando feito pelosistema, negativo quando feito sobre o sistema.

    Vizinhanas(ambiente)

    19.3 Um sistema terrnodinmico pode trocar energia sob forma. de trabalho ou de ambos com suas vizinhanas (ambiente).

    .>eas convenes de sinais para Q e w.

    ndicionadores de ar e refrigeradores usam alguma ver-se sistema. Nas prximas sees, usaremos o sistema

    _' no interior de um cilindro para estudar diversos proces-envolvendo transformaes de energia.Utilizaremos um ponto de vista microscpico, comna energia cintica e na energia potencial de cada

    cula individual do sistema, para desenvolver a intui-obre as grandezas termodinmicas. Contudo, impor-entender que os princpios bsicos da termodinmicam ser estudados de modo inteiramente macroscpico,fazer referncia a nenhum modelo microscpico. aidade, o grande poder e o carter geral da termodinmi-correm em parte do fato de que ela no depende doses da estrutura da matria.Vamos inicialmente considerar o trabalho realizadosistema durante uma variao de volume. Quando ume expande, ele fora suas fronteiras a se deslocaremfora. Portanto, um gs que se expande sempre realizatrabalho positivo. O mesmo resultado se aplica a qual-material lquido ou slido que se expande sob pres-

    - . tal como a pipoca mostrada na Figura 19.1.Podemos entender o trabalho realizado por um gste uma variao de volume considerando as molculas

    compem o gs. Quando uma dessas molculas colideuma superfcie fixa e a exe ce momentaneamente uma

    >a sobre a superfcie, as o re .za trabalho, porque arfcie no se move. Po , quando a superfcie se

    ve, como no caso de.urfi pisto de um motor a gasolina,molcula realiza u trabalho sobre a superfcie durante a. o. Se o pisto da Figura 19.4a se move para a direita,endo o volume total do gs aumentar, as molculas quelidem com o pisto exercem uma fora ao longo de uma

    distncia e realizam um trabalho positivo sobre o pis-- . Se o pisto da Figura 19.4b se move para a esquerda,

    Captulo 19 A primeira lei da termodinmica 253

    (a) Pisto se afasta da molcula ....durante a coliso. ..,..--------------~,.--~~Movimento

    do pisto

    Molcula perde energia cintica, rea-liza trabalho positivo sobre o pisto.

    (b) Pisto se desloca no sentido .da molcula durante a coliso. .....]

    ~Movimentodo pisto

    'Molcula ganha energia cintica,realiza trabalho negativo sobre o pisto.

    Figura 19.4 (a) Quando uma molcula colide com um pisto,ela (a) realiza trabal