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FísicaEnsino Médio, 2ª Série

Primeira lei da termodinâmicaAdaptado do original

www.cicdamas.com.br/prof-files/admin/downloads/termodinamica PE. perfeito.pptx

Prof.(a) Cristiane

Colégio Estadual Dom Helder Câmara

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica

A ideia de aproveitar o calor para produzir movimento

(trabalho) é bem antiga. Heron de Alexandria (10 d.C. a

70 d.C.) já propunha em sua eolípila tal aproveitamento.

Esta ideia ganhou a forma de máquinas

térmicas e revolucionou, na segunda

metade do século XVIII, a maneira pela

qual as pessoas se relacionam e

produzem seus bens.

Imagens: Eolípila: Katie Crisalli para a U.S. Air Force / United States public domain.

Heron de Alexandria: Autor desconhecido / United States public domain.

Imagens: À Esquerda, Sala de máquinas penteadeiras a vapor Heilmann / Armand Kohl / Public domain.

À Direita, Locomotiva a vapor / Don-kun / Public domain.

No livro Física mais que divertida, do professor Eduardo Campos Valadares (Ed. UFMG), encontramos um experimento denominado “Usina Térmica”.A experiência consiste em aquecer uma lata de refrigerante contendo água e um furo na parte superior.

Bem a frente do furo deve ser colocada uma turbina (ventoinha).


Imagem: SEE-PE redesenhada com base em http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_08.asp

Imagem: Arturo D. Castillo / Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

A força para produção de bens era braçal e bastante personalizada.

O homem percebe que pode utilizar a força da água para realização de trabalhos como a moagem de grãos. Sugerimos que pesquise sobre rodas d’água e moinhos de água.

Com a máquina a vapor o homem passa a controlar a fonte de energia, sendo capaz de produzir bens em larga escala.


Imagens (de cima para baixo): a - Lewis W. Hine , Yale University Art Gallery/ Public Domain; b - Roger May / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic; c – Emoscopes / GNU Free Documentation License.

Ao ser aquecido, o gás se expande empurrando o êmbolo para cima.Notamos que o calor fornecido ao gás produziu trabalho, ao mover o êmbolo, e fez aumentar a temperatura do gás.Isso demonstra que a energia se conservou. A energia na forma de calor transformou-se em outros tipos de energia.A primeira lei da Termodinâmica corresponde, na verdade, ao princípio da conservação da energia. Assim, o calor fornecido ou retirado (Q) de um sistema resultará na realização de trabalho (δ) e na variação da energia interna do sistema (∆U).

∆U = Q - δ


Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.

Quando o gás se expande, temos uma variação de volume positiva (∆V>0∆V>0). Então dizemos que o gás realizou trabalho (δδ>0>0), pois é a força do gás que desloca o êmbolo.

Quando o gás é comprimido, temos uma variação de volume negativa (∆V<0∆V<0). Então dizemos que o trabalho foi realizado sobre o gás (δδ<0<0), pois uma força externa desloca o êmbolo.

FF


A energia interna de um gás está diretamente relacionada com sua temperatura. Assim, uma variação na temperatura do gás indicará variação de sua energia interna (∆U). Para moléculas monoatômicas, tem-se:

TRn23

U ΔTRn23

ΔU

n – número de mols do gás;R – constante universal dos gases (8,31 J/mol.K);T – temperatura do gás.


Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.

Calor recebido

Calor cedido


Numa transformação isotérmica,transformação isotérmica,, todo calor trocado pelo gás (Q), recebido ou cedido, resultará em trabalho(δ) . Uma vez que não há variação de temperatura, também não há variação de energia interna(∆U).

Calor Recebido

Calor cedido


Numa transformação adiabática,transformação adiabática,, não ocorre troca de calor (Q) do gás com seu entorno. Assim, todo trabalho(δ) realizado pelo gás (δ>0) ou sobre o gás (δ<0) resultará na variação de energia interna(∆U).

Quando o trabalho é positivo (realizado pelo gás) observamos uma diminuição da temperatura. Quando o trabalho é negativo (realizado sobre o gás) observamos um aumento na temperatura. (clique para ver animação e fique atento a marcação do termômetro)


Ao encher uma bola fazendo movimentos rápidos na bomba, notamos o aquecimento da mesma. Isto acontece porque o ar, uma vez comprimido rapidamente, eleva sua temperatura.Como o processo é rápido, não há tempo para troca de calor com o meio externo. Trata-se de uma compressão adiabática.

Um outro exemplo, contrário ao anterior, mas que ilustra o mesmo tipo de transformação, é o uso do aerossol.Ao mantê-lo pressionado por algum tempo, notamos o resfriamento da lata. A expansão do gás produz uma diminuição de sua temperatura. Trata-se de uma expansão adiabática.


Imagens (de cima para baixo): a – Air pump / Priwo / Public Domain; b – Football / flomar / Public Domain; c – Aerosol / PiccoloNamek / GNU Free Documentation License.

TransformaçãoIsovolumétrica

Transformação

Adiabática


01. 01. Transfere-se calor a um sistema, num total de 200 calorias. Verifica-se que o sistema se expande - realizando um trabalho de 150 joules – e sua energia interna aumenta.

a) Considerando 1 cal = 4J, calcule a quantidade de energia transferida ao sistema, em joules.b) Utilizando a primeira lei da termodinâmica, calcule a variação de energia interna desse sistema.

Próximo Problema


Se o sistema recebeu 200 calorias e 1 cal = 4Joules, então a energia recebida em Joules será...


O problema informa que o sistema recebeu Q=800 J e realizou um trabalho δ=150 J.Pelo que afirma o princípio da conservação de energia que corresponde á 1ª lei da Termodinâmica, todo calor trocado resultará em trabalho e variação da energia interna.Logo...

∆U = Q - δ


02. (Unesp 1999) 02. (Unesp 1999) Certa quantidade de um gás é mantida sob pressão constante dentro de um cilindro com o auxílio de um êmbolo pesado, que pode deslizar livremente. O peso do êmbolo mais o peso da coluna de ar acima dele é de 400 N.

a) o trabalho realizado pelo gás;b) A variação de energia interna do gás no processo

Uma quantidade de 28 J de calor é, então, transferida lentamente para o gás. Neste processo, o êmbolo se eleva de 0,02 m e a temperatura do gás aumenta de 20 °C.Nestas condições, determine:

Próximo Problema


Imagem: SEE-PE redesenhada com base em http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26

Questão: http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26

De início, é preciso considerar que a pressão do gás se mantém constante. Logo, a força que o gás exerce sobre o êmbolo é constante e não deve ser maior que 400N, pois o êmbolo deve subir lentamente.Caso a força fosse maior que 400N, o êmbolo subiria aceleradamente. Assim, a força do gás deve ser 400N e o êmbolo deverá subir com velocidade constante.

FF400N

Lembremos que o trabalho de uma força é calculado por ...

Onde “F” é o valor da força e “d” o deslocamento que a força produz.Assim temos...


d =

0,0

2m

Se o gás recebeu um calor Q=28J e efetuou um trabalho δ=8J, então podemos calcular que sua variação de energia interna (∆U) foi de ...

∆U = Q - δ ∆U = 28 – 8

∆U = 20 J


05.05. Qual é a variação de energia interna de um gás ideal sobre o qual é realizado um trabalho de 80J durante uma compressão isotérmica?a) 80J;b) 40J;c) Zero;d) - 40J;e) - 80J.

04.04. Enquanto se expande, um gás recebe o calor Q=100J e realiza o trabalho δ=70J. Ao final do processo, podemos afirmar que a energia interna do gás:a) aumentou 170 J;b) aumentou 100 J;c) aumentou 30 J;d) diminuiu 70 J;e) diminuiu 30 J.


∆U = Q – δ∆U = 100 – 70

∆U = 30∆U > 0, logo aumenta

∆U = Q – δCompressão isotérmica : ∆U = 0

06.06. Um cilindro de parede lateral adiabática tem sua base em contato com uma fonte térmica e é fechado por um êmbolo adiabático pesando 100N. O êmbolo pode deslizar sem atrito ao longo do cilindro, no interior do qual existe uma certa quantidade de gás ideal. O gás absorve uma quantidade de calor de 40J da fonte térmica e se expande lentamente, fazendo o êmbolo subir até atingir uma distância de 10cm acima da sua posição original.Nesse processo, a energia interna do gás:

a) diminui 50 J;b) diminui 30 J;c) não se modifica;d) aumenta 30 J;e) aumenta 50 J.


∆U = Q – δ∆U = 40 – 10

∆U = 30 J ∆U > 0, logo aumenta

07.07. Quando um gás ideal sofre uma expansão isotérmica,

a) a energia recebida pelo gás na forma de calor é igual ao trabalho realizado pelo gás na expansão;b) não troca energia na forma de calor com o meio exterior;c) não troca energia na forma de trabalho com o meio exterior;d) a energia recebida pelo gás na forma de calor é igual à variação da energia interna do gás;e) o trabalho realizado pelo gás é igual à variação da energia interna do gás.

08.08. Uma certa quantidade de ar contido num cilindro com pistão é comprimida adiabaticamente, realizando-se um trabalho de -1,5kJ. Portanto, os valores do calor trocado com o meio externo e da variação de energia interna do ar nessa compressão adiabática são, respectivamente,

a) -1,5kJ e 1,5kJ;b) 0,0kJ e -1,5kJ;c) 0,0kJ e 1,5kJ;d) 1,5kJ e -1,5kJ;e) 1,5kJ e 0,0kJ.


∆U = Q – δCompressão adiabática: Q = 0

∆U = – δ∆U = – (–1,5) = 1,5 J

11.11. A Primeira Lei da Termodinâmica estabelece que o aumento da energia interna de um sistema é dado por ∆U= ∆Q-δ, no qual ∆Q é o calor recebido pelo sistema, e δ é o trabalho que esse sistema realiza.Se um gás real sofre uma compressão adiabática, então,

a) ∆Q = ∆U;b) ∆Q = δ;c) δ = 0;d) ∆Q = 0;e) ∆U = 0.

10.10. A primeira lei da termodinâmica diz respeito à:

a) dilatação térmica;b) conservação da massa;c) conservação da quantidade de movimento;d) conservação da energia;e) irreversibilidade do tempo.


Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso

2a Eolípila: Katie Crisalli para a U.S. Air Force /

United States public domain.http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aeolipile.jpg

16/03/2012

2b Heron de Alexandria: Autor desconhecido / United States public domain.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Heron.jpeg

16/03/2012

2c Locomotiva a vapor / Don-kun / Public domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DD-Oybin1088.jpg

16/03/2012

2d Sala de máquinas penteadeiras a vapor Heilmann / Armand Kohl / Public domain.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Armand_Kohl48.jpg

16/03/2012

3a SEE-PE, Imagem produzida com base na imagem de Autor Desonhecido situada em http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_08.asp

Imagem produzida com base em http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_08.asp

16/03/2012

3b Arturo D. Castillo / Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sol07.svg

16/03/2012

4a Lewis W. Hine , Yale University Art Gallery/ Public Domain

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Making_Pittsburgh_Stogies_by_Lewis_Hine.jpeg

16/03/2012

4b Roger May / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:17th_Century_Water_Mill_-_geograph.org.uk_-_43368.jpg

16/03/2012

4c Emoscopes / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Newcomen_atmospheric_engine_animation.gif

16/03/2012

5 Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FireIcon.svg

16/03/2012

Tabela de Imagens

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7 Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/

File:FireIcon.svg16/03/2012

11a Air pump / Priwo / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Luftpumpe-01.jpg

16/03/2012

11b Football / flomar / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Football_%28soccer_ball%29.svg

16/03/2012

11c Aerosol / PiccoloNamek / GNU Free Documentation License.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aerosol.png

16/03/2012

16 SEE-PE, Imagem produzida com base na imagem de Autor Desonhecido situada em http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26

http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26

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24 SEE-PE, Imagem produzida com base na imagem de Autor Desonhecido situada em http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q=9144&t=

http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q=9144&t=

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Tabela de Imagens

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