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Cincias da Natureza e suas Tecnologias FsicaEnsino Mdio, 2 SriePrimeira lei da termodinmica

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FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

A ideia de aproveitar o calor para produzir movimento (trabalho) bem antiga. Heron de Alexandria (10 d.C. a 70 d.C.) j propunha em sua eolpila tal aproveitamento.Esta ideia ganhou a forma de mquinas trmicas e revolucionou, na segunda metade do sculo XVIII, a maneira pela qual as pessoas se relacionam e produzem seus bens.Imagens: Eolpila: Katie Crisalli para a U.S. Air Force / United States public domain.

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

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

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

Experimente voc mesmo! No livro Fsica mais que divertida, do professor Eduardo Campos Valadares (Ed. UFMG), encontramos um experimento denominado Usina Trmica.A experincia consiste em aquecer uma lata de refrigerante contendo gua e um furo na parte superior.Bem a frente do furo deve ser colocada uma turbina (ventoinha). Este um bom exemplo de transformaode energia trmica em energia mecnica,ou seja, calor em movimento.FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmicaImagem: SEE-PE redesenhada com base em http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_08.aspImagem: Arturo D. Castillo / Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

A fora para produo de bens era braal e bastante personalizada.O homem percebe que pode utilizar a fora da gua para realizao de trabalhos como a moagem de gros. Sugerimos que pesquise sobre rodas dgua e moinhos de gua.Com a mquina a vapor o homem passa a controlar a fonte de energia, sendo capaz de produzir bens em larga escala.FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmicaImagens (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.

Energia Interna (U)A energia interna de um gs est diretamente relacionada com sua temperatura. Assim, uma variao na temperatura do gs indicar variao de sua energia interna (U). Para molculas monoatmicas, tem-se:

Kn nmero de mols do gs;R constante universal dos gases (8,31 J/mol.K);T temperatura do gs.Ligue aquio aquecimentoFSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmicaImagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.

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De acordo com a expresso da variao da energia interna, so possveis as seguintes concluses:

Como vimos:

FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmicaTrabalho(W) em uma T.G.Como vimos, possvel transformar calor em energia mecnica. Tal transformao ocorre atravs da realizao de Trabalho (W). Trabalho numa transformao IsobricaNesta situao, pode-se obter o trabalho realizado pelo gs atravs da seguinte expresso:

FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmicaonde,Lembrete: A unidade de trabalho no S.I. o Joule (J)Trabalho realizado pelo gs(W > 0)Quando o gs se expande, temos uma variao de volume positiva (V>0). Ento dizemos que o gs realizou trabalho (W>0), pois a fora do gs que desloca o mbolo.Trabalho realizado sobre o gs(W < 0)Quando o gs comprimido, temos uma variao de volume negativa (V 0Calor cedidow < 0FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Numa transformao adiabtica,, no ocorre troca de calor (Q) do gs com seu entorno. Assim, todo trabalho(W) realizado pelo gs (W>0) ou sobre o gs (W 0W < 0Quando o trabalho positivo (realizado pelo gs) observamos uma diminuio da temperatura. Quando o trabalho negativo (realizado sobre o gs) observamos um aumento na temperatura. (clique para ver animao e fique atento a marcao do termmetro)FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Experimente voc mesmo! Ao encher uma bola fazendo movimentos rpidos na bomba, notamos o aquecimento da mesma. Isto acontece porque o ar, uma vez comprimido rapidamente, eleva sua temperatura.Como o processo rpido, no h tempo para troca de calor com o meio externo. Trata-se de uma compresso adiabtica.Um outro exemplo, contrrio ao anterior, mas que ilustra o mesmo tipo de transformao, o uso do aerossol.Ao mant-lo pressionado por algum tempo, notamos o resfriamento da lata. A expanso do gs produz uma diminuio de sua temperatura. Trata-se de uma expanso adiabtica.FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmicaImagens (de cima para baixo): a Air pump / Priwo / Public Domain; b Football / flomar / Public Domain; c Aerosol / PiccoloNamek / GNU Free Documentation License.

Em resumo...TransformaoIsotrmicaQ = WTransformaoIsovolumtricaQ = UTransformaoAdiabticaW = -UFSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Vamos resolver juntos!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 termodinmica, calcule a variao de energia interna desse sistema.

Prximo ProblemaFSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

De incio, preciso considerar que a presso do gs se mantm constante. Logo, a fora que o gs exerce sobre o mbolo constante e no deve ser maior que 400N, pois o mbolo deve subir lentamente.Caso a fora fosse maior que 400N, o mbolo subiria aceleradamente. Assim, a fora do gs deve ser 400N e o mbolo dever subir com velocidade constante.F400NLembremos que o trabalho de uma fora calculado por ...W = 400x0,02Onde F o valor da fora e d o deslocamento que a fora produz.Assim temos...W = FxdW = 8 JVoltarFSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmicad = 0,02m

Ento, para obter a mesma energia da Gasolina (em 1Kg), o volume de GNV ser...

893 vezes maior que o volume da gasolina.Ento ser necessrio comprimir o GNV (aumentar a presso) para se ter a mesma energia em um volume menor.Assim, a alternativa que responde a questo ser...b) muito maior, o que requer que ele seja armazenado alta presso.FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Tente resolver!05. Qual a variao de energia interna de um gs ideal sobre o qual realizado um trabalho de 80J durante uma compresso isotrmica?a) 80J;b) 40J;c) Zero;d) - 40J;e) - 80J.04. Enquanto se expande, um gs recebe o calor Q=100J e realiza o trabalho W=70J. Ao final do processo, podemos afirmar que a energia interna do gs:a) aumentou 170 J;b) aumentou 100 J;c) aumentou 30 J;d) diminuiu 70 J;e) diminuiu 30 J.FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Tente resolver!06. Um cilindro de parede lateral adiabtica tem sua base em contato com uma fonte trmica e fechado por um mbolo adiabtico pesando 100N. O mbolo pode deslizar sem atrito ao longo do cilindro, no interior do qual existe uma certa quantidade de gs ideal. O gs absorve uma quantidade de calor de 40J da fonte trmica e se expande lentamente, fazendo o mbolo subir at atingir uma distncia de 10cm acima da sua posio original.Nesse processo, a energia interna do gs:

a) diminui 50 J;b) diminui 30 J;c) no se modifica;d) aumenta 30 J;e) aumenta 50 J.FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Tente resolver!07. (UFPR) Considere um cilindro de paredes termicamente isoladas, com exceo da base inferior, que condutora de calor. O cilindro est munido de um mbolo de rea 0,01m e peso 25N, que pode mover-se sem atrito. O mbolo separa o cilindro em uma parte superior, onde existe vcuo, e uma parte inferior, onde h um gs ideal, com 0,01mol e volume inicial de 10 litros. medida em que o gs aquecido, o mbolo sobe at uma altura mxima de 0,1m, onde um limitador de curso o impede de subir mais. Em seguida, o aquecimento prossegue at que a presso do gs duplique. Com base nessas informaes, correto afirmar:(01) Enquanto o mbolo estiver subindo, o processo isobrico;(02) Aps o mbolo ter atingido o limitador, o processo adiabtico;(04) O trabalho realizado no trecho de expanso do gs de 2,5J;(08) A temperatura no instante inicial igual a 402K;(16) O calor fornecido ao gs, na etapa de expanso, utilizado para realizar trabalho e para aumentar a temperatura do gs;(32) O trabalho realizado pelo gs durante a etapa de expanso igual ao trabalho total realizado pelo gs desde o incio do aquecimento at o momento em que o gs atinge o dobro da presso inicial.

Soma ( )FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmicaImagem: SEE-PE produzida com base na imagem disponvel em http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q=9144&t=

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

Tente resolver!08. Quando um gs ideal sofre uma expanso isotrmica,

a) a energia recebida pelo gs na forma de calor igual ao trabalho realizado pelo gs na expanso;b) no troca energia na forma de calor com o meio exterior;c) no troca energia na forma de trabalho com o meio exterior;d) a energia recebida pelo gs na forma de calor igual variao da energia interna do gs;e) o trabalho realizado pelo gs igual variao da energia interna do gs.09. Uma certa quantidade de ar contido num cilindro com pisto comprimida adiabaticamente, realizando-se um trabalho de -1,5kJ. Portanto, os valores do calor trocado com o meio externo e da variao de energia interna do ar nessa compresso adiabtica so, 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.FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Tente resolver!11. A Primeira Lei da Termodinmica estabelece que o aumento da energia interna de um sistema dado por U= Q-W, no qual Q o calor recebido pelo sistema, e o trabalho que esse sistema realiza.Se um gs real sofre uma compresso adiabtica, ento,

a) Q = U;b) Q = ;c) = 0;d) Q = 0;e) U = 0.10. A primeira lei da termodinmica diz respeito :

a) dilatao trmica;b) conservao da massa;c) conservao da quantidade de movimento;d) conservao da energia;e) irreversibilidade do tempo.FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica