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.
FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio
Primeira lei da termodinâmica
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
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.
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Primeira lei da termodinâmica
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:
3
U  n R  T
2
3
ΔU   n  R  ΔT
2
n – número de mols do gás;
R – constante universal dos gases (8,31 J/mol.K);
T – temperatura do gás.
Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.
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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).
Calor recebido
Calor cedido
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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).
Calor cedido
Calor
Recebido
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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).
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)
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Primeira lei da termodinâmica
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.
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Primeira lei da termodinâmica
Transformação
Isovolumétrica
Transformação
Adiabática
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Primeira lei da termodinâmica
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.
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Primeira lei da termodinâmica
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.
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Primeira lei da termodinâmica
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.
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Primeira lei da termodinâmica
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.
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Primeira lei da termodinâmica
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
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Primeira lei da termodinâmica
Se o sistema recebeu 200 calorias e 1 cal = 4Joules,
então a energia recebida em Joules será...
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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
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Primeira lei da termodinâmica
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
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
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Primeira lei da termodinâmica
Lembremos que o trabalho de uma força é calculado
por ...
F
Onde “F” é o valor da força e “d” o deslocamento que a
força produz.
Assim temos...
400N
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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 ...
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.
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Primeira lei da termodinâmica
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 (
)