Termodinâmica perfeito
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Transcript Termodinâmica perfeito
FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio
Primeira 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:
À Esquerda, Sala de máquinas penteadeiras a vapor Heilmann
/ Armand Kohl / Public domain.
À Direita, Locomotiva a vapor / Don-kun / Public domain.
Imagens:
Eolípila: Katie Crisalli para a U.S. Air
Force / United States public domain.
Heron de Alexandria: Autor
desconhecido / United States public
domain.
FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio
Primeira lei da termodinâmica
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_0
8.asp
Imagem: Arturo D. Castillo / Creative Commons Attribution 3.0 Unported.
FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio
Primeira lei da termodinâmica
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.
FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio
Primeira lei da termodinâmica
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).
Q = δ + ∆U
Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.
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Primeira lei da termodinâmica
Quando o gás se expande, temos uma variação de volume
positiva (∆V>0). Então dizemos que o gás realizou trabalho
(δ>0), pois é a força do gás que desloca o êmbolo.
F
Quando o gás é comprimido, temos uma variação de volume
negativa (∆V<0). Então dizemos que o trabalho foi realizado
sobre o gás (δ<0), pois uma força externa desloca o êmbolo.
FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio
Primeira lei da termodinâmica
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:
3
U n R T
2
3
ΔU n R ΔT
2
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.
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Primeira lei da termodinâmica
Numa transformação isovolumétrica, todo calor recebido ou cedido (Q) pelo gás será
transformado em variação da sua energia interna (∆U) . Como não há variação de
volume, também não há realização de trabalho (δ).
Calor recebido
Calor cedido
FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio
Primeira lei da termodinâmica
Numa 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 cedido
Calor
Recebido
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Primeira lei da termodinâmica
Numa 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)
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Primeira lei da termodinâmica
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.
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Primeira lei da termodinâmica
Transformação
Isovolumétrica
Transformação
Adiabática
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Primeira lei da termodinâmica
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
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Primeira lei da termodinâmica
Se o sistema recebeu 200 calorias e 1 cal = 4Joules,
então a energia recebida em Joules será...
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Primeira lei da termodinâmica
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...
Q = δ + ∆U
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Primeira lei da termodinâmica
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.
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:
a) o trabalho realizado pelo gás;
b) o calor específico do gás no processo, sabendo-se que sua massa é 0,5 g.
Próximo Problema
Questão: http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26
Imagem: SEE-PE redesenhada com base em 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.
d = 0,02m
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Primeira lei da termodinâmica
Lembremos que o trabalho de uma força é calculado
por ...
F
Onde “F” é o valor da força e “d” o deslocamento que a
força produz.
Assim temos...
400N
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Primeira lei da termodinâmica
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 ...
Q = δ + ∆U
28 = 8 + ∆U
28 – 8 = ∆U
∆U = 20 J
Assim, podemos afirmar que o aumento da temperatura em 20°C foi uma decorrência
do recebimento de 20 Joules de energia.
Lembrando que estudamos em calorimetria sobre o calor sensível - aquele responsável
por provocar uma variação na temperatura ( Q=m.c.∆T) - poderemos então calcular o
calor específico...
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Primeira lei da termodinâmica
03. Nos últimos anos, o gás natural (GNV: gás natural veicular) vem sendo utilizado pela frota de
veículos nacional, por ser viável economicamente e menos agressivo do ponto de vista ambiental.
O quadro compara algumas características do gás natural e da gasolina em condições ambiente.
Apesar das vantagens no uso de GNV, sua utilização implica algumas adaptações técnicas, pois,
em condições ambiente, o VOLUME de combustível necessário, em relação ao de gasolina, para
produzir a mesma energia, seria:
a) muito maior, o que requer um motor muito mais
potente.
b) muito maior, o que requer que ele seja
armazenado á alta pressão.
c) igual, mas sua potência será muito menor.
d) muito menor, o que o torna o veículo menos
eficiente.
e) muito menor, o que facilita sua dispersão para a
atmosfera.
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Primeira lei da termodinâmica
Observe que o texto afirma que a tabela
compara os valores da Gasolina e do GNV em
condições ambiente, logo, sujeitos à pressão
da atmosfera.
Assim, em 1m³ de ambiente aberto, tem-se
738 Kg de gasolina e 0,8 Kg de GNV.
A tabela informa também que, em 1Kg de GNV,
tem-se uma energia de 50.200 KJ, enquanto
que, em 1Kg de Gasolina, tem-se uma energia
bem próxima, no valor de 46.900 KJ.
Para obtermos 1Kg de Gasolina será necessário um volume de...
738Kg 1m3
1Kg Vg
Já para obtermos 1Kg de GNV, será necessário
um volume de...
738Vg 1.1
1
Vg
0,0014m3
738
VGNV
1
1,25m3
0,8
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Primeira lei da termodinâmica
Então, para obter a mesma energia da Gasolina (em 1Kg), o volume de GNV será...
VGNV
1,25
893
Vg
0,0014
893 vezes maior que o volume da gasolina.
Então será necessário comprimir o GNV
(aumentar a pressão) para se ter a mesma
energia em um volume menor.
Assim, a alternativa que responde a questão será...
b) muito maior, o que requer que ele seja armazenado á alta pressão.
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Primeira lei da termodinâmica
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.
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.
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Primeira lei da termodinâmica
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.
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Primeira lei da termodinâmica
07. (UFPR) Considere um cilindro de paredes termicamente isoladas, com exceção da
base inferior, que é condutora de calor. O cilindro está munido de um êmbolo de área
0,01m² e peso 25N, que pode mover-se sem atrito. O êmbolo separa o cilindro em uma
parte superior, onde existe vácuo, e uma parte inferior, onde há um gás ideal, com
0,01mol e volume inicial de 10 litros. À medida em que o gás é aquecido, o êmbolo sobe
até uma altura máxima de 0,1m, onde um limitador de curso o impede de subir mais. Em
seguida, o aquecimento prossegue até que a pressão do gás duplique. Com base nessas
informações, é correto afirmar:
(01) Enquanto o êmbolo estiver subindo, o processo é isobárico;
(02) Após o êmbolo ter atingido o limitador, o processo é adiabático;
(04) O trabalho realizado no trecho de expansão do gás é de 2,5J;
(08) A temperatura no instante inicial é igual a 402K;
(16) O calor fornecido ao gás, na etapa de expansão, é utilizado para
realizar trabalho e para aumentar a temperatura do gás;
(32) O trabalho realizado pelo gás durante a etapa de expansão é
igual ao trabalho total realizado pelo gás desde o início do
aquecimento até o momento em que o gás atinge o dobro da pressão
inicial.
Soma (
)
Questão: http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q=9144&t=
Imagem: SEE-PE produzida com base na imagem disponível em http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q=9144&t=
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Primeira lei da termodinâmica
08. 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.
09. 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.
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Primeira lei da termodinâmica
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.
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.
Tabela de Imagens
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Autoria / Licença
Link da Fonte
2a Eolípila: Katie Crisalli para a U.S. Air Force /
United States public domain.
2b Heron de Alexandria: Autor desconhecido /
United States public domain.
2c Locomotiva a vapor / Don-kun / Public domain.
16/03/2012
2d
16/03/2012
3a
3b
4a
4b
4c
5
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aeolip
ile.jpg
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Heron
.jpeg
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DDOybin1088.jpg
Sala de máquinas penteadeiras a vapor
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Heilmann / Armand Kohl / Public domain.
nd_Kohl48.jpg
SEE-PE, Imagem produzida com base na
Imagem produzida com base em
imagem de Autor Desonhecido situada em
http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_
http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_ 08.asp
08.asp
Arturo D. Castillo / Creative Commons
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Lewis W. Hine , Yale University Art Gallery/
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g_Pittsburgh_Stogies_by_Lewis_Hine.jpeg
Roger May / Creative Commons Attributionhttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:17th_
Share Alike 2.0 Generic
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Emoscopes / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Newc
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Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FireIc
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Data do
Acesso
16/03/2012
16/03/2012
16/03/2012
16/03/2012
16/03/2012
16/03/2012
16/03/2012
16/03/2012
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11a Air pump / Priwo / Public Domain
11b Football / flomar / Public Domain
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Acesso
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asp?origem=Unesp&curpage=26
16/03/2012
16/03/2012
16/03/2012
11c Aerosol / PiccoloNamek / GNU Free
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16 SEE-PE, Imagem produzida com base na
16/03/2012
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24 SEE-PE, Imagem produzida com base na
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imagem de Autor Desonhecido situada em
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