Capitulo 02 – Primeira Lei

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1 Capitulo 02 – Primeira Lei
TMA 01 Capitulo 02 – Primeira Lei Pontos Importantes: Apresentar definição e conceitos de Energia Apresentar definição e conceitos de Calor Apresentar definição e conceitos de Trabalho Discutir o conceito de reversibilidade Apresentar o princípio de conservação de energia Sistemas e vizinhanças : Sistema termodinâmico = região macroscópica do universo que é selecionado para análise. Quando definimos um sistema temos que definir também a sua vizinhança e sua fronteira. Vizinhanças = São partes do universo que são vizinhas ao sistema em análise. Fronteira = é a interface imaginária entre o sistema e suas vizinhanças.

2 Uma garrafa térmica perfeita
TMA 02 Tipos de sistema Sistema aberto ou fechado : Sistema isolado : Uma garrafa térmica perfeita A pele humana Um erlenmeyer

3 Tipos de sistema TMA Relembrando :
03 Tipos de sistema Relembrando : Sistema de um componente ou multicomponente Sistema homogêneo ou heterogêneo Sistema reativo ou não reativo Sistema simples ou complexo

4 Tipos de sistema TMA Sistemas termodinâmicos Tipos de Processo 04
Tipo (Exemplo) Isolado ( universo) Fechado ( uma máq. de Pebolim) Adiabático(Garrafa térmica perfeita) Aberto ( um aquário) Não existe troca de matéria nem energia com as vizinhanças Energia pode passar pela fronteira, mas matéria não Não existe transferência de energia na forma de calor Ambos, energia e matéria podem atravessar a fronteira Tipos de Processo Adiabático Isocórico Isotérmico Isobárico Isentálpico Isentrópico Processo ocorre sem troca de calor Isométrico ou isovolumétrico – Volume constante Processo ocorre a temperatura constante Processo ocorre a pressão constante Processo ocorre a entalpia constante Processo ocorre a entropia constante

5 Tipos de fronteira TMA 05 Tipos de fronteira:
Fronteira rígida (não transmite força mecânica) Fronteira impermeável (não transmite massa) Fronteira adiabática (não transmite calor) Fronteira Diatérmica : Fronteira Adiabática :

6 Podemos definir três tipos de energia principais:
TMA 06 Energia É a propriedade de um sistema que pode ser convertida em trabalho Pode ser armazenada dentro de sistemas em várias formas macroscópicas Pode ser transferida entre sistemas e também transformada de uma forma para outra Esta transferencia pode ocorrer por meio de calor e trabalho A quantidade total de energia permanece constante em todas as transformações e transferências Podemos definir três tipos de energia principais: Energia cinética: energia associada a qualquer tipo de movimento Energia potencial: é capaz de promover mudança de posição em relação a um campo gravitacional Energia interna: a energia interna de um sistema é a energia associada com as condições internas do sistema. É um conceito abstrato já que não pode ser medida diretamente, mas pode ser determinada pela medida de outras variáveis e coordenadas do sistema Para um material ela inclui interações interatômicas e a energia associada com o movimento atômico. Depende das qualidades ou propriedades inerentes de cada material

7 TMA Energia Força Sistema (Corpo) Sistema (Corpo) 07
Energia cinética: Está associado ao efeito de uma força tendo como resultado um deslocamento Força Sistema (Corpo) Sistema (Corpo) É um conceito abstrato já que não pode ser medida diretamente, mas pode ser determinada pela medida de outras variáveis e coordenadas do sistema Para um material ela inclui interações interatômicas e a energia associada com o movimento atômico. Depende das qualidades ou propriedades inerentes de cada material Trabalho da força resultante = Variação da energia Cinética Entre S1 e S2 Energia transferida ao corpo = Acumulo de energia armazenada no corpo na forma de energia cinética

8 TMA 08 Energia Energia potencial: é capaz de promover mudança de posição em relação a um campo gravitacional Energia interna: é a energia associada ao movimento de átomos e moléculas que constituem os materiais e que possuem liberdade de movimento que pode ser de translação, rotação e/ou vibração. É um conceito abstrato já que não pode ser medida diretamente, mas pode ser determinada pela medida de outras variáveis e coordenadas do sistema Para um material ela inclui interações interatômicas e a energia associada com o movimento atômico. Depende das qualidades ou propriedades inerentes de cada material Unidade de energia: SI (J) Joule J=1kgm2s-2 eV (eletron-volt) 1eV é a energia cinética que adquire 1 e acelerado por uma diferença de potencial de 1V. Caloria (cal) 1 cal é a energia suficiente para elevar de 1oC a temperatura de 1g de H2O

9 Trabalho = transferencia de energia
TMA 09 Trabalho = transferencia de energia • Calor é o fluxo de energia movida por uma diferença de temperatura • TRABALHO é o fluxo de energia motivado por qualquer outra força motriz. (expansão de um gás que empurra um pistão e provoca a elevação de um peso) O trabalho pode ser apresentado na forma de trabalho mecânico (compressão-expansão); trabalho elétrico; trabalho magnético;......

10 TMA 10 Trabalho Existe trabalho quando um corpo é deslocado contra uma força que se opõe ao deslocamento. O trabalho é determinado pelo produto da força envolvida e o deslocamento provocado Toda forma de transferência de energia que não envolva gradientes de temperatura (expansão de um gás que empurra um pistão e provoca a elevação de um peso) O trabalho pode ser apresentado na forma de trabalho mecânico (compressão-expansão); trabalho elétrico; trabalho magnético;......

11 TMA 11 Trabalho Trabalho é toda forma de energia diferente do calor: pode ser trabalho mecânico, elétrico, magnético. Assim trabalho engloba todas as formas de trabalho, inclusive mecânico.

12 TMA 12 Energia e Trabalho Quando se faz trabalho sobre um sistema, a capacidade de o sistema efetuar trabalho aumenta, e a energia do sistema aumenta. Quando o sistema efetua trabalho, há redução da energia do sistema pois diminui a capacidade de realizar trabalho. EXEMPLO: Um exemplo cássico de trabalho mecânico considera a compressão de um gás em um cilindro de um motor. Considerando o gás como sistema o trabalho é realizado sobre o sistema pela superfície do pistão

13 TMA 13 Trabalho O trabalho é a pressão de resistência multiplicada pela variação volumétrica. Unidade de trabalho: SI J (Joule) - quando a pressão é expressa em N/m2 ou Pa, e o volume é expresso em metros cúbicos.

14 Trabalho e movimento atômico
TMA 14 Trabalho e movimento atômico O trabalho é uma transferência de energia que se aproveita de movimento organizado O trabalho é a forma de transferência de energia que muda a direção de movimento dos átomos que compõem o sistema Energia Trabalho W < 0 Energia Trabalho W > 0

15 TMA 15 Trabalho Diga, para cada situação, se há trabalho realizado pelo sistema, sobre o sistema ou se nenhum trabalho é realizado. (A) Um balão expande enquanto um pequeno pedaço de gelo seco sublima dentro do balão. (balão=sistema) R. Já que o volume do balão aumenta, não há dúvida de que ele está realizando trabalho. O trabalho é realizado pelo sistema. (B) As portas do compartimento de carga do trem espacial são abertas no Espaço, liberando um pouco da atmosfera residual. (compartimento de carga=sistema) R. As portas se abrem para o vácuo, portanto trata-se de uma expansão livre (contra pressão nula). Nenhum trabalho é realizado. (C) O CHF2Cl, um gás refrigerante, é comprimido no ar condicionado, para ser liquefeito. (CHF2Cl = sistema) R. Já que o volume do CHF2Cl diminui quando é comprimido, trabalho é realizado sobre o gás. O trabalho é realizado sobre o sistema. (D) Uma lata de tinta spray é descarregada contra uma parede. (lata = sistema) R. A lata não muda de volume. Se a lata for o sistema, então: Nenhum trabalho é realizado. O trabalho é realizado pelo próprio spray, que aumenta seu volume contra a pressão atmosférica constante. É um conceito abstrato já que não pode ser medida diretamente, mas pode ser determinada pela medida de outras variáveis e coordenadas do sistema Para um material ela inclui interações interatômicas e a energia associada com o movimento atômico. Depende das qualidades ou propriedades inerentes de cada material

16 TMA 16 Energia e Calor É a energia transferida entre o sistema e a vizinhança em função de variações de temperatura – Calor é energia em transito Processos exotérmicos – cede energia na forma de calor Processos endotérmicos – absorvem calor Adiabático Diatérmico Quando a variação da energia se altera como resultado da diferença de temperatura entre o sistema e suas vizinhanças, diz-se que a energia foi transferida na forma de calor - lembrar do conceito de fronteiras diatérmicas e adiabáticas - Lembrar do conceito de exotérmico e endotérico. (a) Processo endotérmico num sistema com fronteiras adiabáticas (b) Processo exotérmico num sistema com fronteiras adiabáticas (c) Processo endotérmico num sistema com fronteiras diatérmicas (d) Processo exotérmico num sistema com fronteiras diatérmicas

17 Calor e movimento atômico
TMA 17 Calor e movimento atômico Calor é a transferência de energia que se aproveita do movimento caótico das moléculas (movimento térmico) como calor é uma variável do sistema não podemos dizer que o sistema possui calor. O calor é considerado como energia em transito Energia Calor q < 0 Energia Calor q > 0

18 TMA 18 A primeira Lei Define um conceito de energia interna como a energia total de um sistema na termodinâmica A variação da energia interna é dada pela diferença entre energia interna final menos energia interna inicial (Função de estado) Energia interna pode ser alterada através da realização de trabalho (w) ou através da transferência de calor (q)

19 A primeira Lei TMA A energia interna : é uma função de estado
19 A primeira Lei A energia interna : é uma função de estado é uma propriedade extensiva Calor e Trabalho não são funções de estado Energia interna, trabalho e calor medem-se em Joule (SI)

20 TMA 20 Quando um sistema fechado sofre uma série de transformações que o levam a um estado final idêntico ao estado inicial, ao longo das quais ele troca com o meio externo apenas trabalho e calor, a soma algébrica das quantidades de trabalho e calor recebidas pelo sistema é nula. Quando um sistema fechado, passa do estado A ao estado B, e ao faze-lo troca com o meio exterior apenas calor e trabalho, a soma algébrica Q + W das quantidades de calor e trabalho que ele recebe depende apenas do estado inicial e final, e é independente do processo pelo qual se deu a mudança de estado.

21 TMA 21 JAMES JAULE

22 TMA 22

23 TMA 23 A primeira Lei A energia interna de um sistema pode ser alterado pelo trabalho efetuado sobre o sistema ou pelo aquecimento do mesmo. Se um sistema estiver isolado das suas vizinhanças não haverá alteração da energia interna SISTEMA ISOLADO a variação de energia interna = 0 SISTEMA FECHADO variação da energia interna = função de q e w SISTEMA COM FRONTEIRA ADIABÁTICA q=0 variação da energia interna = função de w Convenção - w e q > 0 se o sistema ganha energia e w e q < 0 se o sistema perde energia

24 TMA Convensão de sinais
24 Convensão de sinais Calor fornecido ou liberado pelo sistema – Sinal negativo Calor absorvido pelo sistema – Sinal positivo Trabalho executado pelo sistema, contra as forças de pressão externas, seu sinal é negativo Trabalho executado sobre o sistema, pela força de pressão externa, seu sinal é positivo

25 TMA 25

26 Expansão TMA Variação de volume – pode ser positivo ou negativo
26 Expansão Variação de volume – pode ser positivo ou negativo O trabalho é positivo quando é realizado no sistema pelas vizinhanças, e negativo se o sistema realiza trabalho sobre a vizinhança O sinal negativo nos informa que quando o sistema desloca o corpo contra a força, a energia interna do sistema que efetua o trabalho diminui.

27 Trabalho TMA Expansão livre
27 Trabalho Expansão livre Expansão livre é a expansão contra uma força nula. Ocorre quando a pressão externa é zero. W=0.

28 Expansão contra pressão constante
TMA 28 Trabalho Expansão contra pressão constante Considera a pressão externa como constante para todo o processo de expansão. Exemplo quando a pressão externa é a pressão atmosférica Diagrama indicador

29 Reversível X Irreversível
TMA 29 Trabalho Expansão reversível É uma transformação que pode ser invertida pela modificação infinitesimal de uma variável Reversível X Irreversível

30 Expansão reversível , isotérmica, de gás ideal
TMA 30 Trabalho Expansão reversível , isotérmica, de gás ideal Considerando um gás ideal PV=nRT Quando o volume final é maior que o inicial (expansão) o Logaritmo é positivo e W<0 Para uma dada variação de volume o aumento da temperatura resulta em aumento do trabalho.