Termodinâmica perfeito

of 28 /28

Transcript of Termodinâmica perfeito

Page 1: Termodinâmica perfeito
Page 2: Termodinâmica perfeito

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira 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.

Page 3: Termodinâmica perfeito

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 MédioPrimeira lei da termodinâmica

Imagem: SEE-PE redesenhada com base em

http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_0

8.asp

Imagem: Arturo D. Castillo / Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

Page 4: Termodinâmica perfeito

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 d’água 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 MédioPrimeira 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.

Page 5: Termodinâmica perfeito

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 MédioPrimeira lei da termodinâmica

Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.

Page 6: Termodinâmica perfeito

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.

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 MédioPrimeira lei da termodinâmica

Page 7: Termodinâmica perfeito

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:

TRn2

3U ΔTRn

2

3ΔU

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 MédioPrimeira lei da termodinâmica

Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.

Page 8: Termodinâmica perfeito

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).

Calor recebido

Calor cedido

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica

Page 9: Termodinâmica perfeito

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).

Calor

Recebido

Calor cedido

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica

Page 10: Termodinâmica perfeito

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).

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 MédioPrimeira lei da termodinâmica

Page 11: Termodinâmica perfeito

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 MédioPrimeira 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.

Page 12: Termodinâmica perfeito

Transformação

Isovolumétrica

Transformação

Adiabática

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica

Page 13: Termodinâmica perfeito

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 MédioPrimeira lei da termodinâmica

Page 14: Termodinâmica perfeito

Se o sistema recebeu 200 calorias e 1 cal =

4Joules, então a energia recebida em Joules será...

Voltar

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica

Page 15: Termodinâmica perfeito

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

Voltar

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica

Page 16: Termodinâmica perfeito

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 MédioPrimeira lei da termodinâmica

Imagem: SEE-PE redesenhada com base em http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26

Questão: http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26

Page 17: Termodinâmica perfeito

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.

F400N

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...

Voltar

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica

d =

0,0

2m

Page 18: Termodinâmica perfeito

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 JAssim, 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...

Voltar

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica

Page 19: Termodinâmica perfeito

03. 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 MédioPrimeira lei da termodinâmica

Page 20: Termodinâmica perfeito

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 50.200

KJ, enquanto que, em 1Kg de Gasolina, tem-se

uma energia bem próxima, no valor de 46.900

KJ.Para obtermos 1Kg de Gasolina será necessário um volume de...

VgKg

mKg

1

1738 3

30014,0738

1

1.1738

mVg

Vg

Já para obtermos 1Kg de GNV, será necessário

um volume de...

325,18,0

1mVGNV

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica

Page 21: Termodinâmica perfeito

Então, para obter a mesma energia da Gasolina (em 1Kg), o volume de GNV será...

8930014,0

25,1

Vg

VGNV893 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 MédioPrimeira lei da termodinâmica

Page 22: Termodinâmica perfeito

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.

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.

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica

Page 23: Termodinâmica perfeito

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.

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica

Page 24: Termodinâmica perfeito

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 ( )

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica

Imagem: SEE-PE produzida com base na imagem disponível em http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q=9144&t=

Questão: http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q=9144&t=

Page 25: Termodinâmica perfeito

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.

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica

Page 26: Termodinâmica perfeito

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.

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.

FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica

Page 27: Termodinâmica perfeito

Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso

2a Eolípila: Katie Crisalli para a U.S. Air Force / United States public domain.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aeolipile.jpg

16/03/2012

2b Heron de Alexandria: Autor desconhecido / United States public domain.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Heron.jpeg

16/03/2012

2c Locomotiva a vapor / Don-kun / Public domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DD-Oybin1088.jpg

16/03/2012

2d Sala de máquinas penteadeiras a vapor Heilmann / Armand Kohl / Public domain.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Armand_Kohl48.jpg

16/03/2012

3a SEE-PE, Imagem produzida com base na imagem de Autor Desonhecido situada em http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_08.asp

Imagem produzida com base em http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_08.asp

16/03/2012

3b Arturo D. Castillo / Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sol07.svg

16/03/2012

4a Lewis W. Hine , Yale University Art Gallery/ Public Domain

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Making_Pittsburgh_Stogies_by_Lewis_Hine.jpeg

16/03/2012

4b Roger May / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:17th_Century_Water_Mill_-_geograph.org.uk_-_43368.jpg

16/03/2012

4c Emoscopes / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Newcomen_atmospheric_engine_animation.gif

16/03/2012

5 Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FireIcon.svg

16/03/2012

Tabela de Imagens

Page 28: Termodinâmica perfeito

Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso

7 Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FireIcon.svg

16/03/2012

11a Air pump / Priwo / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Luftpumpe-01.jpg

16/03/2012

11b Football / flomar / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Football_%28soccer_ball%29.svg

16/03/2012

11c Aerosol / PiccoloNamek / GNU Free Documentation License.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aerosol.png

16/03/2012

16 SEE-PE, Imagem produzida com base na imagem de Autor Desonhecido situada em http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26

http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26

16/03/2012

24 SEE-PE, Imagem produzida com base na imagem de Autor Desonhecido situada em http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q=9144&t=

http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q=9144&t=

16/03/2012

Tabela de Imagens