Primeira lei da termodinâmica

Ciências da Natureza e suas
Tecnologias – Física
Ensino Médio, 2ª Série
Primeira lei da termodinâmica

FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio

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 Imagens:
Eolípila: Katie Crisalli para a U.S. Air
Force / United States public domain.
térmicas e revolucionou, na segunda
Heron de Alexandria: Autor
desconhecido / United States public
metade do século XVIII, a maneira pela domain.

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.


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.
Imagem: SEE-PE redesenhada com base em
Bem a frente do furo deve ser colocada uma turbina http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_0
(ventoinha). 8.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).

Q = δ + ∆U
Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.


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.


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 3
U  n R  T ΔU   n  R  ΔT
2 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.


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


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


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)


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.


Transformação
Isovolumétrica

Transformação
Adiabática


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...

Voltar


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

Voltar


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.

d = 0,02m
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.

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

F
Onde “F” é o valor da força e “d” o deslocamento que a 400N
força produz.
Assim temos...

Voltar


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 ...

28 = 8 + ∆U
Q = δ + ∆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...

Voltar


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.


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 Já para obtermos 1Kg de GNV, será necessário
um volume de...
1Kg  Vg
1
738Vg  1.1 VGNV   1,25m3
0,8
1
Vg   0,0014m3
738


Então, para obter a mesma energia da Gasolina (em 1Kg), o volume de GNV será...
893 vezes maior que o volume da gasolina.
VGNV 1,25
  893 Então será necessário comprimir o GNV
Vg 0,0014 (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.


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.


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.


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=


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.


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
Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do
Acesso

2a Eolípila: Katie Crisalli para a U.S. Air Force / http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aeolip 16/03/2012
United States public domain. ile.jpg
2b Heron de Alexandria: Autor desconhecido / http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Heron 16/03/2012
United States public domain. .jpeg
2c Locomotiva a vapor / Don-kun / Public domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DD- 16/03/2012
Oybin1088.jpg
2d Sala de máquinas penteadeiras a vapor http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Arma 16/03/2012
Heilmann / Armand Kohl / Public domain. nd_Kohl48.jpg
3a SEE-PE, Imagem produzida com base na Imagem produzida com base em 16/03/2012
imagem de Autor Desonhecido situada em http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_
http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_ 08.asp
08.asp
3b Arturo D. Castillo / Creative Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sol07. 16/03/2012
Attribution 3.0 Unported. svg
4a Lewis W. Hine , Yale University Art Gallery/ http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Makin 16/03/2012
Public Domain g_Pittsburgh_Stogies_by_Lewis_Hine.jpeg
4b Roger May / Creative Commons Attribution- http://commons.wikimedia.org/wiki/File:17th_ 16/03/2012
Share Alike 2.0 Generic Century_Water_Mill_-_geograph.org.uk_-
_43368.jpg
4c Emoscopes / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Newc 16/03/2012
omen_atmospheric_engine_animation.gif
5 Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FireIc 16/03/2012
on.svg

Tabela de Imagens
Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do
Acesso

7 Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FireIco 16/03/2012
n.svg
11a Air pump / Priwo / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Luftpu 16/03/2012
mpe-01.jpg
11b Football / flomar / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Footba 16/03/2012
ll_%28soccer_ball%29.svg
11c Aerosol / PiccoloNamek / GNU Free http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aeroso 16/03/2012
Documentation License. l.png
16 SEE-PE, Imagem produzida com base na http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.16/03/2012
imagem de Autor Desonhecido situada em asp?origem=Unesp&curpage=26
http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.
asp?origem=Unesp&curpage=26
24 SEE-PE, Imagem produzida com base na http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q 16/03/2012
imagem de Autor Desonhecido situada em =9144&t=
http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q
=9144&t=

Primeira lei da termodinâmica

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Mais procurados (20)

Destaque

Destaque (20)

Semelhante a Primeira lei da termodinâmica

Semelhante a Primeira lei da termodinâmica (20)

Mais de Bruno De Siqueira Costa

Mais de Bruno De Siqueira Costa (20)

Último

Último (20)

Primeira lei da termodinâmica