Primeira lei da termodinâmica Ensino Médio, 2ª Série Física

Q = δ + ∆U Primeira lei da Termodinâmica 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 Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.

Gás (δ > 0) (δ < 0) Trabalho realizado pelo gás F FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Trabalho realizado pelo gás (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. F Trabalho realizado sobre o gás (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. Gás

Energia Interna (U) K n – número de mols do gás; FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Energia Interna (U) K 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. Ligue aqui o aquecimento Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.

Q = δ + ∆U Q = ∆U ∆U > 0 ∆U < 0 K Calor recebido Calor cedido FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica 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). K Q = δ + ∆U Q = ∆U Calor recebido ∆U > 0 ∆U < 0 Calor cedido

Q = δ + ∆U Q = δ δ > 0 δ < 0 K Calor cedido Calor Recebido FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica 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). K Q = δ + ∆U Q = δ Calor cedido δ > 0 δ < 0 Calor Recebido

Q = δ + ∆U δ = -∆U δ > 0 δ < 0 K FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica 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). K Q = δ + ∆U δ = -∆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) δ > 0 δ < 0

Experimente você mesmo! FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Experimente você mesmo! 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. Imagens (de cima para baixo): a – Air pump / Priwo / Public Domain; b – Football / flomar / Public Domain; c – Aerosol / PiccoloNamek / GNU Free Documentation License.

Em resumo... Q = δ Q = ∆U δ = -∆U FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Em resumo... Transformação Isotérmica Q = δ Transformação Isovolumétrica Q = ∆U Transformação Adiabática δ = -∆U

Tente resolver! FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Tente resolver! 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.

Tente resolver! FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Tente resolver! 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.

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

Tente resolver! FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Tente resolver! 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, 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 = 0.

Vamos resolver juntos! Próximo Problema FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Vamos resolver juntos! 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 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 Se o sistema recebeu 200 calorias e 1 cal = 4Joules, então a energia recebida em Joules será... Q=200x4J Q=800J Voltar

FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica 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 800 = 150 + ∆U 800 - 150 = ∆U ∆U = 650 J Voltar

Vamos resolver juntos! Próximo Problema FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Vamos resolver juntos! 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. 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; . Próximo Problema Questão: http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26 Imagem: SEE-PE redesenhada com base em http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26

δ = Fxd δ = 400x0,02 δ = 8 J F FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica 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. d = 0,02m Lembremos que o trabalho de uma força é calculado por ... δ = Fxd F 400N Onde “F” é o valor da força e “d” o deslocamento que a força produz. Assim temos... δ = 400x0,02 δ = 8 J Voltar

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

Tente resolver! FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Tente resolver! 07. (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 ( )