Resumos 10º ano unidade 1

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Escola SecundáriaD. Afonso Sanches
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Termodinâmica
Sistema termodinâmico – sistema onde se verificam variações de energia interna.
A Terra é um sistema termodinâmico devido às oscilações de temperatura, consequentemente às
variações de energia internai.
A temperatura é uma propriedade que indica se um dado sistema está ou não em equilíbrio
térmicoii com outro.
Calor é a quantidade de energia transferida entre sistemas a temperaturas diferentes.
Processos de propagação da energia térmica entre dois (ou mais) corpos:
1. condução (o corpo está no estado sólido)
A energia é transferida por interacção partícula a partícula. Quanto maior é a temperatura maior
é a energia cinética média das suas partículas.
A energia transferida, sob a forma de calor,
Q, por um material, num dado intervalo de
tempo, Δt, é calculada pela expressão:
Q
 taxa temporal de " calor"
t
Q ΚΑT2  Τ 1

Δt
L

K – Condutividade térmica [característica do
material] (Wm-1K-1)
A – Área de secção recta do material (m2)
(Lei de Fourier)
L – Espessura do material (m)
T – variação da temperatura (K)
A quantidade de energia térmica, medida através do calor, depende da:

Condutividade térmica (característica do material)

Área de secção recta do material

Espessura do material

Variação da temperatura

Variação do tempo
No cobre a velocidade de transferência de energia, por unidade de tempo, é maior do que na
borracha, plástico ou madeira. Assim podemos concluir que:
Nos bons condutores, a velocidade de transferência de energia, sob a forma de calor, através deles
é muito grande e a sua taxa temporal de transmissão de energia é elevada.
Nos maus condutores (bons isoladores), a velocidade de transferência de energia, sob a forma de
calor, é muito pequena.
i
A temperatura da Terra é praticamente constante devido ao facto da quantidade de radiação absorvida ser igual à
quantidade de energia emitida, permitindo que a Terra esteja em equilíbrio térmico.
ii
Todos os pontos do sistema estão à mesma temperatura.
Se dois corpos ou mais possuem a mesma temperatura, estão em equilíbrio térmico.
Equilíbrio termodinâmico – todas as propriedades do sistema não variam, pressupõe então existir equilíbrio
mecânico, térmico e químico (não há reacções químicas)
Dra Olga Sequeira
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Condutividade térmica de alguns materiais
Condutividade
Térmica
Material
(W/(mK))
Material
Condutividade
Térmica
(W/(mK))
Cobre
390
Tecido humano (sem sangue)
0,20
Alumínio
240
Borracha
0,18
Betão (depende da composição)
10,8
Plástico
0,13
Vidro
0,90
Madeira
0,12
Água líquida
0,40
Esferovite
0,032
Tijolo
0,60
Ar
0,024
2. Convecção (o corpo está no estado líquido ou gasoso)
A energia é transferida através de um fluído por transporte de matéria.
OUTROS CONCEITOS
A energia recebida ou cedida por uma substância, quando a sua temperatura varia, depende da
massa, m, da variação de temperatura, T, e da capacidade térmica mássica da substância, C:
Q = C.m.ΔT
A energia transferida durante uma mudança de fase, não provoca variação de temperatura, está
relacionada com a massa, m, e com o calor latente, iiiL.
Q = m.L
1ª LEI DA TERMODINÂMICA
Em todos os processos que ocorrem na NATUREZA há conservação da energia.
A energia transfere-se e transforma-se noutra forma diferente, mas a energia total de um
sistema isolado conserva-se.
As transferências de energia podem traduzir-se em variações de energia interna dos sistemas.
Esta variação ocorre através de:
 Calor
 Realização de trabalho
 Absorção ou emissão de radiação
A variação da energia interna do sistema é consequência do balanço energético entre calor,
trabalho e radiação.
Para qualquer processo termodinâmico em que:
- Se transfere energia, sob a forma de calor, para o sistema
- Há realização de trabalho sobre o sistema
- Há radiação incidente.
A energia total transferida para o sistema é igual à variação da sua energia interna.
EXEMPLO: Mudança do estado líquido para estado gasoso  calor de vaporização
iii
Calor de vaporização [no caso da água] – é a energia que é necessário fornecer por unidade de massa para que a
água a 100ºC se converta integralmente em vapor a essa temperatura.
Dra Olga Sequeira
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ΔEinterna = W + Q + R
A variação de energia interna pode aumentar ou diminuir; depende das transferências de
energia que ocorrem.
1ª Lei da termodinâmica – A variação da energia interna de um sistema não isolado é igual à
quantidade de energia transferida entre o sistema e as vizinhanças, quer como calor, quer
como trabalho, quer como radiação (ΔEinterna = W + Q + R).
Quando a variação da energia interna do sistema resulta, apenas, do balanço energético entre
o calor fornecido e o trabalho realizado sobre o sistema a expressão matemática da 1ª Lei da
termodinâmica.
ivΔE
Q 0
interna =
W + Q ( o sistema não emite nem absorve radiação)
Sistema
ΔEinterna 0
W0


W 0
Sistema
ΔEinterna 0
Q0
A energia que se fornece ao sistema, sob a forma de calor ou de trabalho, é positiva.
A energia que o sistema cede às vizinhanças, sob a forma de calor ou de trabalho, é negativa.
EXEMPLOS:
1. Aquece-se a água contida numa cafeteira. Explica, de acordo com a 1ª Lei da Termodinâmica,
a variação da energia interna do sistema.
Resolução:
Por convenção, a quantidade de calor que se fornece ao sistema (água
contida na cafeteira) é positiva (Q  0).
Como o disco eléctrico está quente, também emite radiação que vai ser
absorvida pela água na cafeteira (R  0).
Não há realização de trabalho mecânico (W = 0).
Então, pela 1ª Lei da Termodinâmica:
Ei = Q + W + R
Ei = Q + 0 + R
Ei  0
Ou seja, a energia interna de um sistema aumenta, o que se traduz num aumento de temperatura.
2. Fornece-se ao sistema a quantidade de calor de 200 J. O sistema realiza o trabalho de 150 J.
Determina a variação interna do sistema.
iv
Alguns autores usam a letra “E” com o índice “interna” ou apenas “i”, outros a letra “U”
Dra Olga Sequeira
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SITUAÇÕES EM QUE A VARIAÇÃO DA ENERGIA INTERNA SE FAZ À CUSTA DE TRABALHO E
CALOR
Consideram-se sistemas gasosos
Algumas aplicações da 1ª Lei da Termodinâmica
1. Transformação adiabática
Quando o gás é expandido ou comprimido muito rapidamente, não há transferência de calor.
Ocorre um aumento da temperatura logo o trabalho mecânico durante o processo aumenta a energia
interna
ΔEinterna = W + Q + R
Q=0eR=0
Logo:
ΔEinterna = W
A variação da energia interna do sistema é igual ao trabalho realizado sobre o sistema
2. Transformação isotérmica
Dra Olga Sequeira
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A temperatura não varia. Então a energia interna do sistema permanece constante, isto é não há
variação de energia interna
ΔEinterna = W + Q + R
ΔEinterna = 0 e R = 0
Logo:
W=–Q
O trabalho realizado sobre o sistema, durante a compressão lenta do ar, é igual ao calor cedido
pelo sistema
3. Transformação isobárica
A pressão é constante.
W = F x
p
F
A
F – valor da força
x – valor do deslocamento
A – área
p – Pressão do gás
Compressão
Logo:
W = p A x
Como A  x corresponde à variação de volume V
Com V  0
Com V  0
W = p V é positivo (compressão)
Expansão
W = – p V é negativo (expansão)
Então:
ΔEinterna = W + Q + R
Q=0eR=0
Logo:
ΔEinterna = W
A variação da energia interna do sistema é igual ao trabalho realizado sobre o sistema, quando
este sofre uma variação de volume, mantendo constante a pressão.
4. Transformação isocórica
ΔEinterna = W + Q + R
O volume é constante.
Como:
W = p V
e
V = 0
Então W = 0
Por sua vez R = 0
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Substituindo:
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ΔEinterna = Q
A variação da energia interna do sistema é igual à energia recebida pelo sistema, como calor
SITUAÇÕES EM QUE A VARIAÇÃO DA ENERGIA INTERNA SE FAZ À CUSTA DA RADIAÇÃO
Quando se expõe um corpo à radiação solar ou se cozinha num forno microondas, há um processo
radioactivo.
Nestes casos não há realização de trabalho (W=0) nem trocas de “calor” (Q=0)
ΔEinterna = W + Q + R
Como Q = 0 e W = 0
Então ΔEinterna = R
Lâmpada de infravermelhos (lâmpada com filtro que
absorve a maior parte da luz visível) é utilizada no
aquecimento de ambientes, em medicina e para secar
tintas e vernizes
O raio laser atravessa uma
solução contida no recipiente.
2ª LEI DA TERMODINÂMICA
Postulado de Kelvin – É impossível, um sistema receber energia como calor e transformá-la
integralmente em trabalho.
Nas transformações de energia, verifica-se que uma parte da energia converte-se em energia interna que não
pode ser novamente utilizada na realização de trabalho (energia dissipada).
Através do balanço energético também se verifica que há “degradação” da energia. Por esta razão não é
possível que um processo espontâneov seja reversível sem a realização de trabalho da vizinhança sobre o
sistema, o que é traduzido pela 2ª Lei da termodinâmica. Os processos espontâneos na Natureza dão-se sempre
no sentido da diminuição da energia útil.
Em qualquer sistema a energia útil é inferior à energia que lhe deu origem. Assim, os processos que ocorrem
espontaneamente na Natureza são irreversíveis. Este comportamento da Natureza traduz a 2ª Lei da
Termodinâmica.
A evolução do Universo tende para a desordem dos seus constituintes. A 2ª lei da
termodinâmica também pode ser expressa através da entropia. Logo, a entropia mede a
desordem de um sistema.
A entropia do Universo aumenta sempre. Quando a entropia de um sistema diminui, a entropia da vizinhança do
sistema aumenta. O aumento da desordem na vizinhança é maior do que o decréscimo da ordem verificada no
sistema.
Os processos espontâneos ocorrem no sentido de aumentar a entropia do sistema. A entropia é tanto maior quanto
maior é a desordem do sistema ou, em termos energéticos, é tanto maior quanto menor a qualidade da energia.
Como conclusão:
2ª Lei da Termodinâmica – No Universo, a quantidade de energia útil nunca aumenta. Os
processos naturais tendem a evoluir no sentido do aumento da entropia do Universo.
v
O processo ocorre sem que a vizinhança actue sobre o sistema, realizando trabalho, transferindo radiação e energia
térmica. (“calor”). Processo reversível – ocorre de modo a que o sistema possa retomar o estado anterior ao processo
sem alterar a energia do sistema e da vizinhança.
Dra Olga Sequeira
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