Primeira lei da termodinâmica

Ciências da Natureza - Física
2º ano do Ensino Médio
Primeira lei da termodinâmica
Prof. Adriel Lima

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
térmicas e revolucionou, na segunda
metade do século XVIII, a maneira pela
qual as pessoas se relacionam e
produzem seus bens.


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).


A força para produção de bens
era braçal e bastante personalisada.

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.


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


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).

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


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 Calor cedido
recebido


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
Calor cedido
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 pois o ar
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 transformação
adiabática.

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.


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 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


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 a 1ª lei da
Termodinâmica, todo calor trocado resultará em trabalho e variação da energia interna.
Logo...

Q = δ + ∆U

Voltar


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, 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 que sua massa é 1,4 g.

Próximo Problema


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.

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 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.


Observe que o texto afirma que a tabela
compara os valores da Gasolina e do GNV em
condições ambiente, logo, sujeitos a 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 1,25 m3
0,8
1
Vg 0,0014m 3
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 a 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. 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 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 ( )


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.


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, onde ∆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.

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