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Ciências da Natureza e suas Tecnologias – Física Ensino Médio, 2ª Série Primeira lei da termodinâmica.

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Apresentação em tema: "Ciências da Natureza e suas Tecnologias – Física Ensino Médio, 2ª Série Primeira lei da termodinâmica."— Transcrição da apresentação:

1 Ciências da Natureza e suas Tecnologias – Física Ensino Médio, 2ª Série Primeira lei da termodinâmica

2 FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira 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. Imagens: Eolípila: Katie Crisalli para a U.S. Air Force / United States public domain. Heron de Alexandria: Autor desconhecido / United States public domain. Imagens: À Esquerda, Sala de máquinas penteadeiras a vapor Heilmann / Armand Kohl / Public domain. À Direita, Locomotiva a vapor / Don-kun / Public domain.

3 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). FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Imagem: SEE-PE redesenhada com base em 8.asp Imagem: Arturo D. Castillo / Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

4 A força para produção de bens era braçal e bastante personalizada. O homem percebe que pode utilizar a força da água para realização de trabalhos como a moagem de grãos. Sugerimos que pesquise sobre rodas dágua e moinhos de água. O homem percebe que pode utilizar a força da água para realização de trabalhos como a moagem de grãos. Sugerimos que pesquise sobre rodas dágua 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. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Imagens (de cima para baixo): a - Lewis W. Hine, Yale University Art Gallery/ Public Domain; b - Roger May / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic; c – Emoscopes / GNU Free Documentation License.

5 Ao ser aquecido, 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. Isso demonstra que a energia se conservou. A energia na forma de calor transformou-se em outros tipos de energia. Ao ser aquecido, 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. Isso 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 FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.

6 V>0 δ>0 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. V<0 δ<0 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. F FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica

7 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). Para moléculas monoatômicas, tem-se: n – número de mols do gás; R – constante universal dos gases (8,31 J/mol.K); T – temperatura do gás. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.

8 Calor recebido Calor cedido FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica

9 Calor Recebido Calor cedido FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica

10 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) FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica

11 Ao encher uma bola fazendo movimentos rápidos na bomba, notamos o aquecimento da mesma. Isto acontece porque o ar, uma vez 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 compressão adiabática. Um outro exemplo, contrário ao anterior, mas que ilustra o mesmo tipo de transformação, é o uso do aerossol. Ao mantê-lo pressionado por algum tempo, notamos o resfriamento da lata. A expansão do gás produz uma diminuição de sua temperatura. Trata-se de uma expansão adiabática. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Imagens (de cima para baixo): a – Air pump / Priwo / Public Domain; b – Football / flomar / Public Domain; c – Aerosol / PiccoloNamek / GNU Free Documentation License.

12 Transformação Isovolumétrica Transformação Adiabática FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica

13 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 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 FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica

14 Se o sistema recebeu 200 calorias e 1 cal = 4Joules, então a energia recebida em Joules será... FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica

15 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 á 1ª lei da Termodinâmica, todo calor trocado resultará em trabalho e variação da energia interna. Logo... Q = δ + U FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica

16 02. (Unesp 1999) 02. (Unesp 1999) 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. a) o trabalho realizado pelo gás; b) o calor específico do gás no processo, sabendo-se que sua massa é 0,5 g. 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: Próximo Problema FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Imagem: SEE-PE redesenhada com base em Questão:

17 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. F 400N Lembremos que o trabalho de uma força é calculado por... Onde F é o valor da força e d o deslocamento que a força produz. Assim temos... FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica d = 0,02m

18 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... Q = δ + U 28 = 8 + 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... FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica

19 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. a) muito maior, o que requer um motor muito mais potente. b) muito maior, o que requer que ele seja armazenado á 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. 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: FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica

20 Observe que o texto afirma que a tabela compara os valores da Gasolina e do GNV em condições ambiente, logo, sujeitos à 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 KJ, enquanto que, em 1Kg de Gasolina, tem-se uma energia bem próxima, no valor de KJ. Para obtermos 1Kg de Gasolina será necessário um volume de... Já para obtermos 1Kg de GNV, será necessário um volume de... FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica

21 Então, para obter a mesma energia da Gasolina (em 1Kg), o volume de GNV será vezes maior que o volume da gasolina. Então será necessário comprimir o GNV (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 á alta pressão. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica

22 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 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. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica

23 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. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica

24 (UFPR) 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 em 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 ( ) FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Imagem: SEE-PE produzida com base na imagem disponível em Questão:

25 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 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; e) 1,5kJ e 0,0kJ. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica

26 A Primeira Lei da Termodinâmica estabelece que o aumento da energia interna de um sistema é dado por U= Q-δ, no qual 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 = 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. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica

27 SlideAutoria / LicençaLink da FonteData do Acesso 2aEolípila: Katie Crisalli para a U.S. Air Force / United States public domain. ile.jpg 16/03/2012 2bHeron de Alexandria: Autor desconhecido / United States public domain. 16/03/2012 2cLocomotiva a vapor / Don-kun / Public domain.http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DD- Oybin1088.jpg 16/03/2012 2dSala de máquinas penteadeiras a vapor Heilmann / Armand Kohl / Public domain. nd_Kohl48.jpg 16/03/2012 3aSEE-PE, Imagem produzida com base na imagem de Autor Desonhecido situada em 08.asp Imagem produzida com base em 08.asp 16/03/2012 3bArturo D. Castillo / Creative Commons Attribution 3.0 Unported. svg 16/03/2012 4aLewis W. Hine, Yale University Art Gallery/ Public Domain g_Pittsburgh_Stogies_by_Lewis_Hine.jpeg 16/03/2012 4bRoger May / Creative Commons Attribution- Share Alike 2.0 Generic Century_Water_Mill_-_geograph.org.uk_- _43368.jpg 16/03/2012 4cEmoscopes / GNU Free Documentation License.http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Newc omen_atmospheric_engine_animation.gif 16/03/2012 5Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FireIc on.svg 16/03/2012 Tabela de Imagens

28 SlideAutoria / LicençaLink da FonteData do Acesso 7Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FireIco n.svg 16/03/ aAir pump / Priwo / Public Domainhttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Luftpu mpe-01.jpg 16/03/ bFootball / flomar / Public Domainhttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Footba ll_%28soccer_ball%29.svg 16/03/ cAerosol / PiccoloNamek / GNU Free Documentation License. l.png 16/03/ SEE-PE, Imagem produzida com base na imagem de Autor Desonhecido situada em asp?origem=Unesp&curpage=26 asp?origem=Unesp&curpage=26 16/03/ SEE-PE, Imagem produzida com base na imagem de Autor Desonhecido situada em =9144&t= =9144&t= 16/03/2012 Tabela de Imagens


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