Primeira lei da termodinâmica

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Primeira lei da termodinâmica

  1. 1. Ciências da Natureza - Física 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica Prof. Adriel Lima
  2. 2. 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.
  3. 3. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaNo livro Física mais que divertida, do professor EduardoCampos Valadares (Ed. UFMG), encontramos umexperimento denominado “Usina Térmica”.A experiência consiste em aquecer uma lata derefrigerante contendo água e um furo na parte superior.Bem a frente do furo deve ser colocada uma turbina (ventoinha).
  4. 4. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica A força para produção de bens era braçal e bastante personalisada.O homem percebe que pode utilizar a força da água pararealização de trabalhos como a moagem de grãos.Sugerimos que pesquise sobre rodas d’água e moinhos deágua. Com a máquina a vapor o homem passa a controlar a fonte de energia sendo capaz de produzir bens em larga escala.
  5. 5. FÍSICA, 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica Ao aquecer, 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. Isto 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
  6. 6. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaQuando o gás se expande temos uma variação de volumepositiva (∆V>0). Então dizemos que o gás realizou trabalho(δ>0), pois é a força do gás que desloca o êmbolo. FQuando o gás é comprimido temos uma variação de volumenegativa (∆V<0). Então dizemos que o trabalho foi realizadosobre o gás (δ<0), pois uma força externa desloca oêmbolo.
  7. 7. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaA energia interna de um gás está diretamente relacionadacom sua temperatura. Assim, uma variação na temperaturado gás indicará variação de sua energia interna (∆U). 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
  8. 8. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaNuma transformação isovolumétrica, todo calor recebido ou cedido(Q) pelo gás serátransformado em variação da sua energia interna (∆U) . Como não há variação devolume, também não há realização de trabalho (δ). Calor Calor cedido recebido
  9. 9. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaNuma transformação isotérmica, todo calor trocado pelo gás (Q), recebido oucedido, resultará em trabalho(δ) . Uma vez que não há variação detemperatura, também não há variação de energia interna(∆U). Calor Calor cedido Recebido
  10. 10. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaNuma transformação adiabática, não ocorre troca de calor (Q) do gás com seuentorno. 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)
  11. 11. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaAo encher uma bola fazendo movimentos rápidos na bomba,notamos o aquecimento da mesma. Isto acontece pois o arcomprimido rapidamente eleva sua temperatura.Como o processo é rápido, não há tempo para troca de calorcom o meio externo. Trata-se de uma transformaçãoadiabática. Um outro exemplo, contrário ao anterior, mas que ilustra o mesmo tipo de transformação, é o uso do aerosol. Ao mantê-lo pressionado por algum tempo, notamos o resfriamento da lata. A expansão do gás produz uma diminuição na temperatura do mesmo.
  12. 12. FÍSICA, 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica Transformação Isovolumétrica Transformação Adiabática
  13. 13. FÍSICA, 2º ano do Ensino MédioPrimeira 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 que 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
  14. 14. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaSe o sistema recebeu 200 calorias e 1 cal=4Joules, então a energia recebida em Joules será... Voltar
  15. 15. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaO 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 a 1ª lei daTermodinâmica, todo calor trocado resultará em trabalho e variação da energia interna.Logo... Q = δ + ∆U Voltar
  16. 16. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica 02.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, transferidalentamente para o gás. Neste processo, o êmbolo seeleva de 0,02 m e a temperatura do gás aumenta de20 C.Nestas condições, determine:a) o trabalho realizado pelo gás.b) o calor específico do gás no processo, sabendo que sua massa é 1,4 g. Próximo Problema
  17. 17. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaDe início é preciso considerar que a pressão do gás semantém constante. Logo a força que o gás exerce sobreo êmbolo é constante e não deve ser maior que 400Npois o êmbolo deve subir lentamente.Caso a força fosse maior que 400N o êmbolo subiriaaceleradamente. Assim a força do gás deve ser 400N eo êmbolo deverá subir com velocidade constante.Lembremos que o trabalho de uma força é calculadopor ... FOnde “F” é o valor da força e “d” o deslocamento que a 400Nforça produz.Assim temos... Voltar
  18. 18. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaSe o gás recebeu um calor Q=28J e efetuou um trabalho δ=8J então podemos calcularque sua variação de energia interna (∆U) foi de ... 28 = 8 + ∆U Q = δ + ∆U 28 – 8 = ∆U ∆U = 20 JAssim, podemos afirmar que o aumento da temperatura em 20 C foi uma decorrênciado recebimento de 20 Joules de energia.Lembrando que estudamos em calorimetria sobre o calor sensível, aquele responsávelpor provocar uma variação na temperatura ( Q=m.c.∆T), poderemos então calcular ocalor específico... Voltar
  19. 19. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio 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, paraproduzir a mesma energia, seriaa) muito maior, o que requer um motor muito mais potente.b) muito maior, o que requer que ele seja armazenado a 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.
  20. 20. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaObserve que o texto afirma que a tabelacompara os valores da Gasolina e do GNV emcondições ambiente, logo, sujeitos a pressãoda atmosfera.Assim, em 1m³ de ambiente aberto, tem-se738 Kg de gasolina e 0,8 Kg de GNV.A tabela informa também que em 1Kg de GNVtem-se uma energia de 50.200 KJ enquantoque em 1Kg de Gasolina tem-se uma energiabem 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 1,25 m3 0,8 1 Vg 0,0014m 3 738
  21. 21. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaEntão, 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 a alta pressão.
  22. 22. FÍSICA, 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica04. Enquanto se expande, um gás recebe o calor Q=100J erealiza o trabalho δ=70J. Ao final do processo, podemos afirmarque a energia interna do gása) 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 umtrabalho de 80J durante uma compressão isotérmica?a) 80Jb) 40Jc) Zerod) - 40Je) - 80J
  23. 23. FÍSICA, 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica06. Um cilindro de parede lateral adiabática tem sua base emcontato com uma fonte térmica e é fechado por um êmboloadiabático pesando 100N. O êmbolo pode deslizar sem atrito aolongo do cilindro, no interior do qual existe uma certa quantidadede gás ideal. O gás absorve uma quantidade de calor de 40J dafonte térmica e se expande lentamente, fazendo o êmbolo subiraté atingir uma distância de 10cm acima da sua posição original.Nesse processo, a energia interna do gása) diminui 50 J.b) diminui 30 J.c) não se modifica.d) aumenta 30 J.e) aumenta 50 J.
  24. 24. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica07. Considere um cilindro de paredes termicamente isoladas, com exceção da baseinferior, que é condutora de calor. O cilindro está munido de um êmbolo de área 0,01m² epeso 25N, que pode mover-se sem atrito. O êmbolo separa o cilindro em uma partesuperior, onde existe vácuo, e uma parte inferior, onde há um gás ideal, com 0,01mol evolume inicial de 10 litros. À medida que o gás é aquecido, o êmbolo sobe até uma alturamáxima de 0,1m, onde um limitador de curso o impede de subir mais. Em seguida, oaquecimento prossegue até que a pressão do gás duplique. Com base nessasinformações, 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 ( )
  25. 25. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica08. Quando um gás ideal sofre uma expansão isotérmica,a) a energia recebida pelo gás na forma de calor é igual ao trabalhorealizado 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 daenergia interna do gás.e) o trabalho realizado pelo gás é igual à variação da energia interna dogás.09. Uma certa quantidade de ar contido num cilindro com pistão é comprimidaadiabaticamente, realizando-se um trabalho de -1,5kJ. Portanto, os valores do calor trocado com omeio externo e da variação de energia interna do ar nessa compressão adiabáticasão, 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.
  26. 26. FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica10. A primeira lei da termodinâmica diz respeito à:a) dilatação térmicab) conservação da massac) conservação da quantidade de movimentod) conservação da energiae) irreversibilidade do tempo11. A Primeira Lei da Termodinâmica estabelece que o aumento da energia interna deum sistema é dado por ∆U= ∆Q-δ, onde ∆Q é o calor recebido pelo sistema, e δ é otrabalho 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.

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