Slides de Termodinâmica - Capítulo 2

1. Calor e a
1ª Lei da Termodinâmica
Capítulo 2
Joane Santana

2. Lembrando alguns conceitos!!!
 Equilíbrio Térmico;
 Sistema;
 Ambiente.
Exemplo: Um copo com gelo em cima da
mesa!!!

3. Fluxo de energia
 Calor é a energia transferida entre um
sistema e o ambiente, devido a sua
diferença de temperatura.

4.  Existe outra maneira do sistema
trocar energia com o ambiente?

5. Trabalho (W)
 O Trabalho é outra maneira do sistema
realizar essa troca de energia.
 Quando o sistema realiza trabalho, ele
gasta energia, mas se uma força exerce
trabalho sobre o sistema, ele ganha
energia

6. Calor e a 1ª Lei da
Termodinâmica

7. Unidades de medição de Calor
 As unidades que representam o Calor são
as mesmas que representam Energia;
 Usaremos o Joule (J);
 Temos também a caloria (cal);
1 cal = 4,186 J

8. Capacidade Calorífica
 É a constante de proporcionalidade entre
a Quantidade de Calor (Q) e a Variação
da Temperatura (ΔT).
 Unidade: J/K (SI) ou cal/K ou cal/°C
Q
Q = C (Tf – Ti) ou C =
∆T

9. Calor Específico
 A Capacidade Térmica é proporcional a
massa. (C = m.c)
 Ex: Para variar 1ºC em 1kg de ferro
precisamos de Q, se for 2kg precisamos
de 2Q.
 O Calor Específico (c) é uma
característica do material.
 Matematicamente: Q = m.c. ΔT;
 Unidades: J/kg.K (SI) ou cal/g.°C

10. Calor Específico Molar
 Sabemos que a matéria é formada por
uma quantidade muito grande de átomos
e moléculas, por isso representamos a
quantidade de átomos por:
1 mol → 6,02 x 1023 átomos
 Utilizamos o Calor Específico Molar
quando não sabemos a massa:
Q = c mol .n. ΔT

11. Calor de Transformação
 Quando fornecemos ou retiramos calor de
um sistema ocorre variação na sua
temperatura.
 Mas nem sempre uma troca de calor está
associada a uma mudança de
temperatura.
 Ex: Vasilha com
água no fogão

12. Calor de Transformação
 Então neste caso o calor recebido está
sendo utilizado para mudança de estado
físico, e não variação de temperatura.
 Temos que: Q = L.m
 Unidades de Calor Latente: J/kg (SI) ou
cal/g.

13. Calor de Transformação
 Exemplos:
A água possui:
 O Calor Latente dos estados líquido-
gasoso:
L V = 2260 kJ/kg (calor de vaporização)
 E o Calor Latente dos estados líquido-
sólido:
L f = 333 kJ/kg (calor de fusão)

14. Atividade 1
 Quanto calor é preciso para fazer
uma amostra de gelo de massa
m = 720g a -10°C passar para o
estado líquido a 15°C ? Faça um
gráfico da temperatura em função da
quantidade de calor inserida no
sistema neste processo.

15. Gráfico da Atividade 1

16. Trabalho
 Na Mecânica Clássica: W = F.d.cos θ
 Onde θ é o ângulo entre a Força e o
Deslocamento.

17. Trabalho
 Vamos calcular o trabalho realizado por
um gás dentro de um cilindro. Suponha
que o volume seja constante e se não há
deslocamento, não haverá trabalho.
 Como calcular W se não sabemos a força
exercida pelo gás?

18. Trabalho
 Para encontrar a fórmula do trabalho,
vamos escrever a força de outra maneira.
pressão = F / área (N/m2) (Pascal-Pa)
Então: F = p x A, como W = F x d
Teremos: W = p x A x d (I)
Como o volume do cilindro: V = A x d,
Substituindo em (I), W = p(Vf – Vi)

19. Trabalho
 Temos então o trabalho em função da
pressão e do volume:
W = p. ΔV
 Utilizamos esta fórmula para pressão cte.

20. Mas a pressão é sempre
constante?

21. Quando a pressão não é constante
 Não poderemos usar W = p. ΔV
 Deveremos dividir a expansão do gás em
pequenos incrementos de volume;
 Se os incrementos forem muito pequenos
a pressão será aprox. constante.
 W = p1 ΔV1 + p2 ΔV2 + p3 ΔV3 + ... + pj ΔVj +...+ pN ΔVN
 Cada parcela do somatório representa a
área de um retângulo, base (ΔV) e a altura
(p).

22. Integral da pressão em função do
volume
 O trabalho será a soma das áreas dos
pequenos retângulos:

23. Fórmula Geral do Trabalho (Gás)
 Para calcular a integral precisamos utilizar
cálculo diferencial e integral

24. Atividade 2
 Mostre que a fórmula mais geral para
o trabalho da expansão de um gás,
no caso de pressão constante em
função do volume, fica reduzida ao
caso simples pΔV.

25. Gráfico da Atividade 2

26. Atividade 3
 Um gás dentro de uma câmara passa pelo
ciclo mostrado na figura abaixo. Calcule o
trabalho realizado pelo gás em um ciclo
completo.

27. 1ª Lei da Termodinâmica

28. 1ª Lei da Termodinâmica
 Conservação de Energia
 Uma variação de Energia Interna do sistema
ocorre quando o sistema troca calor ou
realiza trabalho. Então: ΔE = Q – W
 Significa que:
Sistema recebe calor ΔE será positiva
Sistema realiza trabalho ΔE será negativo

29. Casos particulares da 1ª Lei da
Termodinâmica
 Processos Adiabáticos;
 Processos a Volume Constante;
 Processos Cíclicos.

30. Processo Adiabático
 O sistema é isolado termicamente;
 Então não há troca de calor.
ΔE = – W
 Se realizar W perderá Energia interna
 Se o W for realizado sobre o sistema, sua
energia interna aumentará.

31. Processos a Volume Constante
 Como o volume do gás é constante não
realização de trabalho: W = 0
ΔE = Q
 Neste caso o calor fornecido é o único
responsável pela variação da energia
interna.

32. Processos Cíclicos
 O sistema após certas trocas de calor e
trabalho, volta ao seu estado inicial;
 A Energia Interna não varia.
Q=W ΔE = 0
 Os gráficos são sempre curvas fechadas.

33. Atividade 4
 Um gás dentro de uma câmara passa pelo ciclo
mostrado na figura. Determine o calor total
trocado pelo sistema durante o processo CA, se
o calor QAB adicionado ao sistema durante o
processo AB for de 20 J, nenhum calor for
transferido durante o
processo BC e o trabalho
total realizado durante
o ciclo for de 15 J.

34. Transmissão de Calor

35. Condução
 O calor é transferido por um objeto, através
das vibrações dos átomos

36. Condução
 Taxa de transmissão de calor H:
 Onde k é chamada condutividade térmica,
constante que depende do material

37. Convecção
 O calor é transportado por porções de matéria
que estão mais aquecidas que outras.

38. Radiação
 Calor é transmitido através da emissão de
radiação eletromagnética.

39.  São 3 listas de exercícios,
cada Capítulo têm uma lista;
 Deverão ser entregues no
dia da 1ª VA (26/03);
 Devem ser entregues
manuscritos.

40. Agradeço a atenção de
todos!!!
Bons estudos!!!