1. O documento discute os princípios da termodinâmica, incluindo a primeira lei da termodinâmica, energia interna, trabalho e calor. 2. É apresentado um exemplo de cálculo de variação de energia interna em um sistema que realiza trabalho e troca calor. 3. O documento também explica conceitos como sistema termodinâmico, trabalho reversível e irreversível, trabalho de compressão e expansão.

1. Prova de Desempenho
Concurso para docente do IFPE Edital 125/2016-GR
Professor candidato: Carlos Augusto Cabral Kramer
1
TERMODINÂMICA
Primeira Lei | Energia interna | Trabalho | Calor

2. O QUE VAMOS APRENDER NESTA AULA?
2
•Princípio da conservação da energia;
•O conceito de energia interna;
•Primeira lei da termodinâmica;
•Energia interna de um gás ideal;
•Conceitos de trabalho e calor;
•Classificação dos sistemas
termodinâmicos;
•Conceito de trabalho reversível e
irreversível;
•Trabalho de compressão/expansão de um
pistão;
•Trabalho de expansão livre, extra e nulo

3. DE ONDE VEM A ENERGIA DO USAIN BOLT?
Figura 01. Usain Bolt nas olimpíadas do Rio
2016
3
http://giphy.com/gifs/usain-bolt-PGMyvQrupEd20, 2016
Figura 02. Alimentos
Fonte: http://greenstore4u.com/, 2016
Alimentos O2(g) CO2(g) H2O(l) EnergiaDigestão
Reação biológica de obtenção de energia

4. A GRANDE SACADA DE JULIUS MAYER
4
Fonte: http://www.mundobiologia.com/
Figura 03. Estrutura da Hemoglobina
Figura 04. Hemácia
Fonte: http://www.mundobiologia.com/
Transporte dos gases
Figura 05. Tipos de sangue
Fonte: http://image.slidesharecdn.com, 2016
Rico em
CO2
Rico em
O2

5. A GRANDE SACADA DE JULIUS MAYER
5
Figura 06. Julius Robert von Mayer
Em 1840 trabalhava como médico no navio cargueiro Java e como
procedimento para diminuição da pressão cardíaca dos marinheiros
retirava-lhe pequenas quantidades de sangue arterial
Percebeu que em regiões tropicais o sangue venoso era mais
avermelhado que nas regiões temperadas, pois o consumo de oxigênio
era menor.
Energia dos
alimentos
Calor (q) Trabalho (w)
Fonte: http://www.nndb.com/, 2016
Figura 07. Temperatura de
funcionamento do corpo
humano é de 37 oC
Figura 08. O corpo
humano realiza inúmeros
trabalhos ao mesmo
tempo
Fonte: http://www.nndb.com, 2016
Fonte: http://www.nndb.com, 2016
Um dos principais fundadores da termodinâmica...

6. PRINCÍPIO DA EQUIVALÊNCIA ENERGÉTICA
6
365 m
Mayer dedicou grande parte de sua vida ao estudo da dinâmica energética. Em 1842 calculou
que a energia necessária para elevar 1g de água a 365 m é igual a energia necessária para elevar
a temperatura desta mesma massa de água de 0 para 1 oC
Fonte: http://br.depositphotos.com/, 2016 Fonte: AUTOR, 2016
~4,18J
Figura 09. Trabalho para subir 365 m Figura 10. Elevação de 1 oC

7. A GRANDE SACADA DE JULIUS MAYER
7
Cada batida do coração custa 1J de energia
Fluxo da sangue
(trabalho)
Transformação
em calor
20% 80%
343 kcal = 1441 KJ
Uma unidade
1.441.000 batimentos cardíacos
(15 dias a 60 bat/min)
288.200J para o fluxo de sangue
e 1.152.800J em calor
1J

8. PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA
8
Em 1845 Joule estudou diferentes formas de
converter trabalho em calor
Fonte: http://www.thefamouspeople.com, 2016
Figura 11. James Prescott Joule
Aquecimento elétrico,
compressão de gases e
movimento de moinhos
mecânicos
Para elevar em 1 oC a temperatura da água é
necessário ~4,18J
Em 1840 publicou um artigo sobre o efeito
térmico da corrente elétrica:
q = I2RΔt

9. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
9
Mayer
Joule
Aprimoramento
matemático
Helmholtz
PRIMEIRA LEI
Conservação
da energia
Energia interna = Calor + Trabalho
dU = dq + dw
ΔU = Q + W

10. SISTEMA TERMODINÂMICO
10
Universo (limite de estudo)
Sistema
Vizinhança do sistema

11. 11
SISTEMA TERMODINÂMICO
Sistema aberto
Sistema Fechado
Sistema Isolado
Calor Matéria
Calor
Fronteira Diatérmica
Fronteira Adiabática
ΔU sempre será = 0

12. A ENERGIA INTERNA
12
Figura 12. Erlemeyer com gasolina
Fonte: http://quatrorodas.abril.com.br/, 2016
A energia interna pode descrita
como resultado de duas energias
principais
•Energia cinética
•Energia Potencial
2C8H18(l) + 25O2(g) --> 16CO2(g) + 18H2O(g) + 10.942kJ
Figura 13. Temperatura do motor com o
carro em movimento
Fonte: http://quatrorodas.abril.com.br/, 2016
Reação de combustão do octano – constituinte da
gasolina

13. 13
É uma propriedade extensiva e uma
função de estado
A B
1
3
2
ΔU = Ufinal – Uinicial = UB - UA
A ENERGIA INTERNA
2C8H18(l) + 25O2(g) 16CO2(g) + 18H2O(g)
UA UB= ? = ?
10.942 kJ
Combustão do
octano
ΔU = Ufinal – Uinicial = UB – UA = 10.942 kJ

14. 14
01 – Um motor produz 56KJ de trabalho e 14KJ de calor. Qual a
variação de energia interna?
02 – Após 5 pessoas sentarem em um carro realizou-se um
trabalho de compressão dos amortecedores de 300 KJ e 50 KJ se
dissipou na forma de calor. Qual a variação de energia interna do
amortecedor?
R: +250 KJ
R: -70KJ
Fonte: BoxOnline.blog.br, 2016
Figura 16. Amortecedor
Resolvendo com
o professor
Resolvendo com
o professor
A ENERGIA INTERNA

15. 15
A ENERGIA INTERNA DE UM GÁS
Teorema da equiparação da energia (Maxwell)
U = Upotencial + Ucinética
Gás monoatômico: U = 3RT
2
Gás de molécula linear: U = 5RT
2
Gás de molécula não-linear: U = 3RT
0
He
1mv² x
2
1mv² z
2
1mv² y
2 U = Ucinética
U = 1mv²x + 1mv²z + 1mv²y
2 2 2
U = 3RT
2
R = 8,314 J/K.mol
T = Kelvin

16. 16
A ENERGIA INTERNA
Em uma reação química a massa se conserva?
Figura 17. Antoine Lavoisier
Fonte:
http://www.fisicaquimicaweb
.com/, 2016
"Na Natureza nada
se cria e nada se
perde, tudo se
transforma".
1785 | Lei de
conservação das
massas
Figura 18. Albert Eintein
Fonte:
http://www.thefamouspeople.
com, 2016
E = mC²
1905 | Equivalência massa-
energia
E = Energia (J)
m = massa (Kg)
C = Vel. Luz no vácuo
(m/s)
2H(g)  H2(g) ΔU = -431 kJ
Massa inicial Massa final
2g  2g
E = mC²
m = _ E _
C²
Δm = (mf – mi)
-Δm = ____-431.000 J_____
(299 792 458 m/s)²
Δm = 4,8.10-12 Kg ---- 0,00000024%
de perda de massa que se
converte em energia

17. CALOR E TRABALHO
17
Calor
Transporte de energia
através do movimento
caótico das partículas,
átomos, moléculas,
elétrons, etc.
Trabalho
Transporte de energia
através do movimento
ordenado das partículas,
átomos, moléculas,
elétrons, etc. contra um
força contrária Fonte: http://www.netfisica.com/, 2016
Figura 13. Trabalho elétrico
Figura 14. Efeito Joule – Geração de calor
Fonte: http://www.netfisica.com/, 2016

18. TRABALHO
Expressão física do trabalho
18
dW = -FdX
X
dW = -FdX
W = -F.X
W = -F.(B-A)
O sinal negativo informa que o sistema (o operário)
realizou trabalho contra o meio externo (carrinho)
Figura 15. Trabalho realizado por um operário
Fonte: http://www.netfisica.com/, 2016
Em relação ao
sistema

19. TRABALHO
19
Trabalho de compressão/expansão de um pistão
P = F/A
F= P.A
dW = -F.dX
dW = -(Pex.A)dX
dW = -PexAdX
dW = -PexdV
=> W = -Pex. ΔV
ΔU = Q + W => ΔU = Q –Pex. ΔV
P: N/m² (Pa) e V: m³

20. TRABALHO
20
Sistema em equilíbrio com suas
vizinhanças
Pressão interna = Pressão externa
dW = -PexdV = dW = -PintdV
Variação de volume não infinitesimal
Pressão externa constante
W = -Pex ΔV
Compressão/expansão Reversível e irreversível
Pressão interna agora é uma fração da pressão total

21. TRABALHO REVERSÍVEL ISOTÉRMICO
21
Trabalho de compressão de um pistão Trabalho de expansão de um pistão
Vf < Vi
Vf > Vi
W = -Pex. ΔVW = -Pex. -ΔV
Trabalho positivo, o meio externo realiza
trabalho sobre o sistema
Trabalho positivo, o sistema realiza
trabalho ao meio externo
Supondo Q = 0, ΔU = W, ΔU > 0 Supondo Q = 0, ΔU = W, ΔU < 0

22. 22
R: +250 KJ
Fonte: BoxOnline.blog.br, 2016
Resolvendo com o
professor
Resolvendo com o
professor
TRABALHO REVERSÍVEL
03- Uma reação química que ocorre em um vaso de sessão reta de área
100 cm² (0,01 m²) provido de um pistão. Em virtude da reação o pistão
sobe 10 cm (0,1m) contra a pressão externa de 1 atm. Qual o trabalho
feito pelo sistema?
R: -101 J
1 atm = 101.000 Pa
04 – Supondo no exercício anterior que ocorra um resfriamento da
vizinhança do sistema equivalente a 51 J. Qual a variação de energia
interna do sistema?
R: -50 J

23. TRABALHO IRREVERSÍVEL
23
Trabalho de expansão na transformação de fase condensada para gasosa
contra pressão atmosférica
Figura 16. Explosão do TNT
Fonte: http://greenstore4u.com/, 2016
Figura 16. Estrutura do Trinitro
tolueno (TNT)
Reação explosiva do TNT
Vfinal >>Vinical
ΔV = Vf
W = -Pex ΔV
W = -Pext Vf
PV = nRT
V = _nRT_
P
W = -Pext. _nRT_
P
W = -nRT
n = número de mols gasosos
R = Constante universal dos gases
T = Temperatura do gás
Fonte: http://greenstore4u.com/, 2016

24. TRABALHO NULO
24
Figura 16. Um balão cheio de gás vagando no vácuo do espaço sideral
Estoura e o gás se expande numa
expansão livre
Fonte: newevolutiondesigns.com, 2016
ΔV >> 0
Ausência de força oposta, Pext = 0,
W = 0
Ausência de matéria para trocas
térmicas, Q = 0
ΔU = 0

25. TRABALHO EXTRA
25
dU = dQ + dWexp + dWext
Todo trabalho que o sistema realiza além do trabalho de expansão gasosa
Exemplo
Trabalho elétrico Welétrico = ΦdQ, onde Φ é o potencial elétrico (volts) e
dQ a variação de carga (Coulomb)
Resolvendo com
o professor
05 – Qual a variação de energia interna de uma bateria de carro após
produzir 400 kJ de trabalho elétrico e perder 50 kJ no efeito joule?
R: -450kJ

26. ESTUDO TERMODINÂMICO DO TRABALHO EM UM
MOTOR À GASOLINA
26
Entrada da mistura Ar +
Gasolina (1) – Sistema aberto
(2) Compressão da mistura –
Sistema Fechado
W > 0, ΔU > 0
(3) Centelha (vela)/ Expansão –
Sistema fechado
W < 0, Q <0, ΔU < 0
Abertura válvula de escape (4) –
Sistema aberto
Motor gasolina ciclo Otto
Universo
Sistema: Câmara de
combustão
Vizinhanças: O resto do
motor

27. QUADRO RESUMO
27
Conservação
da Energia
Calor
Trabalho
Transporte caótico da energia
Transporte orientado da energia
+ = Variação da Energia interna
ΔU = Q + Wexp + Wext
W = -PextΔV
Energia cinética
e potencial de
um sistema
Aberto, fechado ou
adiabático

28. PRÓXIMOS ASSUNTOS
28
• Trocas térmicas;
•Variação da energia interna na ausência de
trabalho;
•Calorimetria;
•Capacidade calorífica a volume constante;
•Entalpia;
•Capacidade calorífica a pressão constante;