FíSica Aula 4 Primeira Lei Da TermodinâMica

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FíSica Aula 4 Primeira Lei Da TermodinâMica

  1. 1. 15 Aula 4 - Primeira lei da termodinâmica A primeira lei da termodinâmica foi formulada pela primeira vez por Helmholtz na metade do século XIX, baseando-se num princípio fundamental da física: a conservação da energia, mas participaram na formulação deste princípio outros estudiosos como Hess, Meyer, Joule. É considerado um postulado, pois não existe uma demonstração matemática. Esta lei estabelece que nas transformações energéticas, o total de energia envolvida na transformação permanece sempre constante, ou seja, da mesma forma como se estabelece a conservação da massa, a energia também não surge do nada nem desaparece milagrosamente. Se um determinado tipo de energia aparentemente diminui, outra forma surge numa quantidade equivalente, mantendo o total constante. No início da termodinâmica, as pessoas estavam interessadas em estudar a transformação mutua entre calor e trabalho. Foi no surgimento da máquina a vapor, que tornou o trabalho escravo obsoleto. Naquela época a produção de bens era baseada no trabalho braçal, animal, ou em raros casos, roda d'água e cata-vento. A navegação na época era totalmente baseada na ação dos ventos ou na tração animal. O surgimento da máquina a vapor, capaz de movimentar fábricas, trens, navios, etc., despertou o interesse de muita gente, industriais, governos, pois este tópico está envolvido diretamente com a economia de um país. O conteúdo do primeiro princípio da termodinâmica emana da generalização de muitos anos de experiências acumuladas pela humanidade pela atividade prática com máquinas térmicas e suas variantes. Mas, como os processos termodinâmicos envolvem troca de calor e trabalho mecânico, este princípio foi ampliado com a introdução do conceito de energia interna de um sistema. A energia interna de um sistema pode ser entendida como a soma da energia cinética de todas as partículas que constituem o sistema, somada com a sua energia potencial total devido à interação entre elas. A energia interna será representada pela letra U. Da mesma forma como acontece para a energia potencial gravitacional de um corpo, a variação da energia interna depende apenas dos estados inicial e final. A primeira lei da termodinâmica fornece uma relação para encontrar a variação da energia interna, dU a partir do calor transferido e do trabalho realizado, com isso, é possível definir um valor específico de U para um estado de referência e dessa forma encontrar a energia em qualquer outro estado. A primeira lei da termodinâmica nos diz que a energia interna do sistema (por exemplo, um gás ideal) é relacionada ao trabalho realizado sobre o ambiente e ao calor transferido ao sistema. U1  U 2  Q1 2  W1 2 (26) onde W1->2 é o trabalho realizado pelo gás sobre o ambiente ao irmos do estado 1 para o estado 2, e Q1->2 é o fluxo de calor para o sistema neste processo. Note que: Se o gás realizar trabalho sobre o ambiente, ele perde energia. Isto faz sentido, já que a energia necessária para realizar o trabalho sobre o ambiente se origina do próprio gás; Se adicionarmos uma quantidade Q de calor ao gás, sua energia interna aumenta deste mesmo valor;
  2. 2. 16 Podemos quantificar as afirmações acima sobre transferência de calor e trabalho realizado em sistemas térmicos, combinando-os em uma expressão, a primeira lei da termodinâmica, escrita na forma diferencial. dU  dQ  dW (27) Quando fornecemos a um gás uma quantidade de calor Q esse calor pode ser usado de dois modos: Uma parte pode ser usada para realizar um trabalho e a outra parte pode se transformar em energia interna do gás. A Eq. 27 traduz a Primeira Lei da Termodinâmica em termos infinitesimais. Ao usarmos a eq. 26 ou 27 devemos usar a convenção: Gás recebe calor: Q>0 (sinal positivo); Gás perde calor: Q<0 (sinal negativo); Gás aumenta de volume: W>0 (realiza trabalho contra o meio, sinal positivo); Gás diminui de volume: W<0 (recebe trabalho do meio, sinal negativo); Anotações de aula
  3. 3. 17 Exercícios 1º. Um gás ideal tem inicialmente uma energia interna Ui = 180J. O gás recebe uma quantidade de calor Q = 80J e sofre uma expansão de modo que no final sua energia interna passa para Uf = 240J. Calcule: a) a variação da energia interna do gás. b) o trabalho realizado pelo gás. 2º. Um gás que está em um recipiente fechado, recebe uma quantidade de calor Q = 50J. Calcule: a) o trabalho realizado pelo gás. b) a variação da energia interna do gás. 3º. Ao receber uma quantidade de calor Q = 60J um gás sofre uma expansão isotérmica. Calcule: a) a variação da energia interna do gás. b) o trabalho realizado pelo gás. 4º. Um gás é comprimido de modo que o meio externo realiza sobre o gás um trabalho de 800J. Durante o processo, o gás perde para o ambiente uma quantidade de calor de 100J. Calcule a variação de energia interna do gás.

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