Expansão contra pressão constante

“Neste capítulo são introduzidos alguns dos conceitos fundamentais da
termodinâmica. O foco da exposição é a conservação de energia – a
observação experimental de que a energia não pode ser destruída nem
criada. Mostra-se também como esse princípio de conservação se
aplica no acompanhamento das variações de energia nos processos
físicos e químicos”
CAPITULO 2
A Primeira lei da termodinâmica
PGCEM
Termodinâmica dos Materiais
UDESC
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.
Tipos de sistema
Sistema aberto ou fechado :
Matéria
Sistema isolado :
Matéria
Matéria
Sistema
Vizinhança
Energia
Energia
A pele humana
Vizinhança
Energia
Um erlenmeyer
Vizinhança
Uma garrafa
térmica perfeita
Tipos de sistema
Relembrando :
Sistema de um componente ou multicomponente
Sistema homogêneo ou heterogêneo
Sistema reativo ou não reativo
Sistema simples ou complexo
Tipos de Processo
Adiabático
Processo ocorre sem troca de calor
Isocórico
Isométrico ou isovolumétrico – Volume constante
Isotérmico
Processo ocorre a temperatura constante
Isobárico
Processo ocorre a pressão constante
Isentálpico
Processo ocorre a entalpia constante
Isentrópico
Processo ocorre a entropia constante
Tipos de fronteira:
Fronteira rígida (não transmite força mecânica)
Fronteira impermeável (não transmite massa)
Fronteira adiabática (não transmite calor)
Fronteira Diatérmica :
Fronteira Adiabática :
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.
Energia cinética: Está associado ao efeito de uma força tendo
como resultado um deslocamento
Força


Sistema
(Corpo)

Sistema
(Corpo)



F .d s  Trabalho de F entre s e s  d s
1
EC  m V22  V12
2

Trabalho da força resultante =
Energia transferida ao corpo =

Variação da energia Cinética
Entre S1 e S2
Acumulo de energia
armazenada no corpo na
forma de energia cinética
Energia potencial: é capaz de promover mudança de posição
em relação a um campo gravitacional
E p (gravitacio nal )  mgh
q1q 2
E p (elétrica ) 
4  0 r
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.
Unidade de energia: SI (J) Joule
1J=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
Trabalho = transferencia de energia
• Calor é o fluxo de energia
movida por uma diferença
de temperatura
• TRABAHO é o fluxo de
energia
motivado
por
qualquer outra força motriz.
•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
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.
Trabalho
O trabalho é a pressão de
resistência multiplicada pela
variação volumétrica.
Unidade
(Joule) expressa
volume é
cúbicos.
de trabalho: SI J
quando a pressão é
em N/m2 ou Pa, e o
expresso em metros
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
Trabalho
convenção
Energia
W>0
Trabalho
Energia
W<0
W   F l  
F
A
2
W    P ex dV
1
Al   P ex V
Trabalho
Perguntas de vestibular
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. (ar que está dentro é o
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.
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
(a)
Diatérmico
(b)
(c)
(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
(d)
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
q<0
Calor
Energia
q>0
Calor
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)
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)
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.
JAMES JAULE
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
ew
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
U  Q  W
dU  Q  W
Convenção de sinais
Determinação de trabalho
Variação de volume de um gás
Determinação de trabalho
Variação de volume de um gás
Considere um gás ideal que ocupe 1.0 dm3 a pressão de 2.00 bar . Se o gás é
comprimido isotermicamente a uma pressão externa Pext constante até que o
volume final seja 0.5 dm3, qual é o menor valor que Pext pode assumir?
Determinação de trabalho
Expansão livre
Expansão livre é a expansão contra uma força nula. Ocorre
quando a pressão externa é zero. W=0.
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
Expansão reversível
É uma transformação que
pode ser invertida pela
modificação infinitesimal de
uma variável
Reversível X Irreversível
Expansão reversível ,
isotérmica, de gás ideal
Considerando um gás ideal
PV=nRT
V
dV
  nRT ln f
V
 Vi
Vi
Vf
w  nRT 



Determinação de trabalho
Variação de volume de um gás
expansão isotérmica
o maior trabalho para ser realizada
compressão isotérmica
o menor trabalho que podemos fazer
Exercício
1)
10 litros de gás ideal monoatômico, mantido a 25 ºC e 10 atm é
expandido até atingir a pressão final de 1 atm. A capacidade
calorifica molar do gás a volume constante (Cv) é 3/2 R e é
independente da temperatura.
Calcular o trabalho realizado, o calor absorvido e as mudanças de
energia interna e entalpia para o gás se o processo ocorre:
isotérmicamente e reversivelmente
adiabáticamente e reversivelmente
Exercício