O que você deve saber sobre Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova O que você deve saber sobre GASES E TERMODINÂMICA O modelo do gás ideal foi fundamental no desenvolvimento da física e da química da primeira metade do século XIX. O estudo das transformações do calor em trabalho em sistemas gasosos configurou a termodinâmica clássica. As máquinas térmicas ainda em uso, como motores a combustão e refrigeradores, usam variantes do ciclo de Carnot para atingir o máximo rendimento.

Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova I. Gás ideal  As moléculas não interagem entre si.  Os choques entre as moléculas e as paredes do recipiente são perfeitamente elásticos (não há perda de energia).  As dimensões das moléculas são desprezíveis em comparação com o volume do recipiente.  O movimento das moléculas é permanente e totalmente aleatório. Estado de um gás: conjunto de diversas variáveis macroscópicas GASES E TERMODINÂMICA 2

II. Transformações gasosas particulares Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova II. Transformações gasosas particulares Transformação isotérmica (lei de Boyle-Mariotte) Diagrama P X V de uma transformação isotérmica GASES E TERMODINÂMICA 3

Transformação isobárica (lei de Gay-Lussac) Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova II. Transformações gasosas particulares Transformação isobárica (lei de Gay-Lussac) Diagrama P X V de uma transformação isobárica GASES E TERMODINÂMICA 4

Transformação isovolumétrica (lei de Charles) Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova II. Transformações gasosas particulares Transformação isovolumétrica (lei de Charles) Diagrama P X V de uma transformação isovolumétrica GASES E TERMODINÂMICA 5

III. Lei geral dos gases ideais Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova III. Lei geral dos gases ideais Equação de Clapeyron O quociente P . V é constante e depende apenas de n, o número T de mols do gás presente na amostra. Valores mais usados para a constante universal dos gases ideais R: R = 0,082 atm . L/mol . K ou R = 8,31 J/mol . K. GASES E TERMODINÂMICA 6

IV. Trabalho em transformações gasosas Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova IV. Trabalho em transformações gasosas • Isobárica: = P . ∆V • Isovolumétrica: = 0 • Outras: o trabalho é numericamente igual à área sob o diagrama P X V O trabalho é numericamente igual à área sombreada sob o gráfico. GASES E TERMODINÂMICA 7

IV. Trabalho em transformações gasosas Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova IV. Trabalho em transformações gasosas Sinal do trabalho • Expansão (∆V > 0): > 0 • Compressão (∆V < 0): < 0 • Ciclos: sentido horário: > 0; sentido anti-horário: < 0 Energia interna do gás ideal: depende da variação de temperatura. GASES E TERMODINÂMICA 8

Transformação adiabática Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova IV. Trabalho em transformações gasosas Transformação adiabática SASPARTOUT/SHUTTERSTOCK A) Diagrama P X V de uma transformação adiabática (linha cheia) comparada com uma isoterma (linha tracejada); B) A expansão de aerossol, por ser rápida, simula bem esse tipo de transformação. GASES E TERMODINÂMICA 9

V. Primeira lei da termodinâmica Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova V. Primeira lei da termodinâmica É outra forma de escrever o princípio de conservação de energia: Sinais de ∆U e Q • Gás recebe calor: Q > 0 • Gás cede calor: Q < 0 • Aquecimento: T > 0  U > 0 • Resfriamento: T < 0  U < 0 GASES E TERMODINÂMICA

Primeira lei da termodinâmica Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova Primeira lei da termodinâmica Clique na imagem para ver a animação. Professor: chame a atenção dos alunos para a grandeza constante e as variáveis em cada caso de transformação gasosa.

VI. Segunda lei da termodinâmica Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova VI. Segunda lei da termodinâmica É impossível construir um dispositivo que, operando em um ciclo termodinâmico, converta totalmente o calor recebido em trabalho. Esquema de máquina térmica. A segunda lei garante que há perda de calor na realização de trabalho. GASES E TERMODINÂMICA 12

Rendimento de máquinas térmicas Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova VI. Segunda lei da termodinâmica Rendimento de máquinas térmicas Nenhuma máquina térmica apresenta 100% de rendimento. GASES E TERMODINÂMICA 13

, em que T é a temperatura em Kelvins. Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova VII. Ciclo de Carnot Carnot descobriu o ciclo teórico capaz de extrair o máximo rendimento de uma máquina térmica. Rendimento do ciclo de Carnot O ciclo de Carnot compreende duas transformações isotérmicas (linhas azuis) e duas transformações adiabáticas (linhas vermelhas). , em que T é a temperatura em Kelvins. GASES E TERMODINÂMICA

a) WI < WII < WIII. b) WI = WII = WIII. c) WI = WII > WIII. Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova 2 (UFMG) Um gás ideal, num estado inicial i, pode ser levado a um estado final f por meio dos processos I, II e III, representados neste diagrama de pressão versus volume: EXERCÍCIOS ESSENCIAIS Sejam WI, WII e WIII os módulos dos trabalhos realizados pelo gás nos processos I, II e III, respectivamente. Com base nessas informações, é correto afirmar que: a) WI < WII < WIII. b) WI = WII = WIII. c) WI = WII > WIII. d) WI > WII > WIII. RESPOSTA: D Os valores WI, WII e WIII são numericamente iguais às áreas sob os respectivos diagramas. Por comparação direta na figura do enunciado, temos WI > WII > WIII. GASES E TERMODINÂMICA – NO VESTIBULAR

Segunda lei da termodinâmica Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova Segunda lei da termodinâmica Clique na imagem para ver a animação. Professor: sugerimos que se enfatize o ciclo de Carnot, o mais importante de máquina térmica, pois é o que permite maior rendimento (ainda que menor que 100%).

a) 24 e 30. b) 8 e 10. c) 54 e 42. d) 12 e 16. e) 16 e 20. RESPOSTA: A Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova 4 (UFRR) Um mol de gás ideal realiza o processo cíclico ABCD representado a seguir no gráfico de P X V: O rendimento da máquina que utiliza esse ciclo é de 0,8. O trabalho no ciclo e o calor fornecido ao gás, em quilojoules, valem respectivamente: a) 24 e 30. b) 8 e 10. c) 54 e 42. d) 12 e 16. e) 16 e 20. EXERCÍCIOS ESSENCIAIS RESPOSTA: A GASES E TERMODINÂMICA – NO VESTIBULAR

a) aumentou 170 J. b) aumentou 100 J. c) aumentou 30 J. Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova 5 (UFRGS-RS) Enquanto se expande, um gás recebe o calor Q = 100 J e realiza o trabalho W = 70 J. 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. EXERCÍCIOS ESSENCIAIS RESPOSTA: C A partir do enunciado, Q = 100 J e W = 70 J. Aplicando a primeira lei da termodinâmica, temos: ∆U = Q - W = 100 - 70  ∆U = 30 J. Como ∆U > 0, pode-se afirmar que a energia interna do gás aumentou 30 J. GASES E TERMODINÂMICA – NO VESTIBULAR

Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova 10 (Univali-SC) Uma máquina térmica opera segundo o ciclo de Carnot entre as temperaturas de 400 K e 280 K, recebendo 1.200 J de calor da fonte quente. O calor rejeitado para a fonte fria e o trabalho realizado pela máquina, em joules, são, respectivamente: a) 840 e 360. b) 1.000 e 1.000. c) 500 e 1.500. d) 1.400 e 600. e) 700 e 1.300. EXERCÍCIOS ESSENCIAIS RESPOSTA: A GASES E TERMODINÂMICA – NO VESTIBULAR

a) 10. b) 25. c) 35. d) 50. e) 60. RESPOSTA: E 12 Fis-cad-2- top-1 – 3 Prova 12 (UPF-RS) Um ciclo de Carnot trabalha entre duas fontes térmicas: uma quente, em temperatura de 227 ºC, e uma fria, em temperatura de –73 ºC. O rendimento desta máquina, em percentual, é de: a) 10. b) 25. c) 35. d) 50. e) 60. EXERCÍCIOS ESSENCIAIS RESPOSTA: E GASES E TERMODINÂMICA – NO VESTIBULAR