Aula 1 - A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA para alunos

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - EEL
Profª Drª Marivone Nunho Sousa
5 de agosto de 2016
ALGUNS ILUSTRES PESQUISADORES
QUE CONSTRUÍRAM A TERMODINÂMICA
James Joule
1818 - 1889
Sadi Carnot
1796 - 1832
Emile Clapeyron
1799 - 1864
Wiliam Thomson
Lord Kelvin
1824 - 1907
Rudolf Clausius
1822 - 1888
“Energia usada p/fazer c/que um
objeto se mova”
“Energia usada p/fazer c/que a
temperatura de um objeto aumente”
U = Ufinal - Uinicial
Função de estado:
depende do estado no qual o
sistema está, não do modo que
chegou
Transformação
Variáveis de Estado
Variáveis de Estado
P2
V2
T2
U2
P1
V1
T1
U1
Estado 11
Estado
TRANSFORMAÇÃO
Estado 2
PROCESSOS
“Caminho” descrito pelo sistema na
transformação .
P1
V1
T1
U1
Processos
P2
V2
T2
U2
Durante a transformação
Isotérmico
Temperatura CONSTANTE
Isobárico
Pressão CONSTANTE
Isovolumétrico
volume CONSTANTE
Adiabático
Q = 0 (NÃO HÁ TROCA DE CALOR)
CONVENÇÃO DE SINAIS EM TERMODINÂMICA
Fornece
energia
Retira
energia
Libera
calor
Recebe
calor
sistema
w>0
w
sistema
w
w<0
sistema
q
q<0
sistema
q
q>0
O PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA
Lei da conservação da energia: a energia em um sistema pode manifestar-se
sob diferentes formas como calor e trabalho.
•A energia pode ser interconvertida de uma forma para outra, mas a
quantidade total de energia do universo, isto é, sistema mais meio externo,
conserva-se.
A ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA ISOLADO É CONSTANTE
U
Variação na energia
interna do sistema

Q
Calor
trocado
pelo
sistema

W
Trabalho
realizado pelo
sistema
III
I
1
2
II
•Função de estado: É aquela propriedade que em uma transformação que leva um
sistema de (1) para (2) por vários caminhos depende apenas da condição final e inicial
(U, P, V e T).
•O calor e o trabalho depende do caminho, mas a relação entre eles não depende.
QI  QII  QIII
WI  WII  WIII
QI - WI = QII - WII = QIII - WIII
•Quando a transformação for cíclica
U =0
porque
Q=W
U1 = U2
+
+
Considere um gás ideal em uma câmara de pistão, em que o volume inicial é
de 2 L e a pressão inicial é de 8 atm. Considere que o pistão está subindo (isto
é o sistema está expandindo) até um volume de 5,5 L, contra uma pressão
externa constante de 1,75 atm. Também considere uma temperatura
constante durante o processo.
a) Calcule o trabalho para o processo;
b) Calcule a pressão final do gás.
Um gás na câmara de um pistão, mantido em banho à temperatura constante
de 25°C, expande de 25 mL para 75 mL, muito, muito lentamente. Se há
0,00100 mol de gás na câmara, calcule o trabalho realizado pelo sistema.
U = qv
CALOR
Calor fornecido ao sistema leva a um aumento da temperatura
podendo ser medido por um calorímetro.
calor fornecido
capacidade calorífica 
aumento de temperatur a
cs = capacidade calorífica específica (cs = C/m);
cm = capacidade calorífica molar (cm = C/n).
JK-1mol-1 E JK-1g-1
calºC-1mol-1 E calºC-1g-1
q
c
T
ΔU = Q - W
Entalpia : calor fornecido para fazer
um trabalho de expansão a P = cte
Movimento rápido do êmbolo
W
Área sob o gráfico
Q=0
O processo ocorre tão
rapidamente que o
sistema não troca
calor com o exterior.
EXERCÍCIOS
01. Um sistema termodinâmico recebe, sob forma de calor, 600 J enquanto
realiza trabalho de 400 J. Calcule a variação da energia interna.
02. Na expansão isotérmica de um gás, que se comporta como gás ideal:
a) sua pressão permanece constante.
b) o trabalho realizado pelo gás é maior do que o calor recebido.
c) sua energia interna aumenta.
d) o trabalho realizado pelo gás é necessariamente zero.
e) o calor fornecido ao gás pode ser integralmente convertido em trabalho.
03. O gráfico abaixo mostra a evolução de um gás ideal sob pressão
constante de 10 N/m2, desde o estado inicial A, até o estado final B.
Durante esse processo, o gás cede 1,0 kJ de calor para o ambiente. Calcule o
trabalho realizado sobre o gás e a variação de sua energia interna.
04. A interação das moléculas de um gás com o recipiente que o contém
determina as transformações que o sistema pode sofrer. Levando em conta as
variáveis de um gás perfeito num sistema termodinâmico – pressão, volume,
temperatura (ou energia interna) e calor – podem-se considerar quatro
transformações: isobárica, isotérmica, isométrica e adiabática. O gráfico abaixo
representa a transformação de um sistema termodinâmico constituído por uma
amostra de 2,0 mols de um gás monoatômico ideal.
De acordo com o gráfico e com as leis da termodinâmica, calcule o trabalho realizado sobre o
gás.
05. Certa quantidade de ar contido num cilindro com pistão é comprimida
adiabaticamente, realizando-se um trabalho de −1,5 kJ. Calcule os valores do
calor trocado com o meio externo e da variação de energia interna do ar nessa
compressão adiabática.
06. Considere as informações e a figura a seguir:
Um cilindro de metal dotado de um êmbolo móvel, em cujo interior se encontra um
gás em equilíbrio termodinâmico, é semelhante a uma bomba de encher pneus de
bicicleta com a saída de ar bloqueada.
Ao fazer-se uma força sobre o êmbolo, resultando na compressão muito rápida do gás,
o que caracteriza uma transformação adiabática?
I. ocorre um aumento na temperatura do gás.
II. o trabalho realizado pela força aumenta a energia interna do gás.
III. o trabalho realizado pela força é igual ao calor liberado para o meio externo.
07. 20 litros de gás hidrogênio contido num recipiente de aço a 27 ºC e à
pressão de 50 atm é expandido reversivelmente sem variação de temperatura
até um volume final de 100 litros. Calcular:
a) Qual a quantidade de calor envolvida nesta expansão?
b) Qual a pressão do gás no final da expansão?
c) Qual o trabalho realizado durante a expansão?
08. Uma amostra de 4,5 g de metano ocupa o volume de 12,7 L a 310 K.
a) Calcule o trabalho realizado quando este gás se expande isotermicamente contra uma
pressão externa constante de 200 Torr até o seu volume aumentar 3,3 L.
b) Calcule o trabalho se a expansão fosse realizada reversivelmente à temperatura
constante.
09. A capacidade calorífica molar, à pressão constante, de um gás perfeito varia com a
temperatura de acordo com a seguinte expressão:
Calcular a quantidade de calor, o trabalho, a energia interna e a variação de entalpia
quando um mol do gás é aquecido de 0 ºC até 100 ºC:
a) à pressão constante.
b) à volume constante.
10. Um gás ideal, Cv,m = 5R/2, é expandido adiabaticamente contra uma pressão
constante de 1 atm até que seu volume seja o dobro. Se a temperatura inicial é 25
ºC e a pressão inicial 5 atm, calcule a temperatura final, a quantidade de calor, o
trabalho, a variação da energia interna e a variação de entalpia por mol de gás
para a transformação.