CAD_EST_P1_V2_CAP 09-termodinâmica

PARTE I
Unidade D
Capítulo
9
As leis da
Termodinâmica
Seções:
9.1 Considerações preliminares
9.2 O princípio da conservação
da energia aplicado à
Termodinâmica
9.3 Transformações gasosas
9.4 A conversão de calor em
trabalho
9.5 Princípio da degradação da
energia
Antes de estudar o capítulo
Veja nesta tabela os temas principais do capítulo e marque um X na coluna que melhor
traduz o que você pensa sobre a aprendizagem de cada tema.
Temas principais do capítulo
Domino
o tema
Vai ser
fácil
Vai ser
difícil
Calor e trabalho
Trabalho realizado por um gás
Energia interna de um sistema
Primeira lei da Termodinâmica
Transformações gasosas
Transformação cíclica
Transformações reversíveis e irreversíveis
Segunda lei da Termodinâmica
Máquinas térmicas e máquinas frigoríficas
X
trabalho interno
energia externa
X
trabalho externo
energia interna
gás monoatômico
termômetro legal
X
rendimento de uma máquina térmica
X
eficiência de uma máquina frigorífica
entropia
Caderno do Estudante • FÍSICA 2
Veja abaixo alguns termos e conceitos que você
encontrará no capítulo. Marque um X naqueles
que você julga que estão relacionados à imagem.
FOODCOLLECTION/DIOMEDIA
Entropia
Justifique suas escolhas. Resposta pessoal.
67
CAD_EST_P1_V2_CAP_09.indd 67
07.09.09 09:27:50
Seção 9.1
Capítulo 9
Termos e
conceitos
considerações preliminares
Defina os termos ou conceitos seguir.
trabalho interno
trabalho externo
Trabalho interno: trabalho executado por uma parte do sistema sobre outra do mesmo sistema.
Trabalho externo: trabalho realizado quando o sistema como um todo produz um deslocamento ao agir com
uma força sobre o meio exterior.
Guia de estudo
1
Diferencie calor e trabalho completando o diagrama abaixo.
Calor e trabalho
Trocas
energéticas
Encontrei
essas informações
na(s) página(s)
Caderno do Estudante • FÍSICA 2
172
.
Temperatura
determina o sentido
de propagação
Sem influência
de diferenças de
temperatura
Calor
Trabalho
Exemplifique trabalho interno e trabalho externo preenchendo a
tabela abaixo.
Trabalho interno
Trabalho externo
Trabalho realizado pelas forças
de interação entre as moléculas
de um gás
Expansão de um gás ao receber calor,
age com uma força sobre o êmbolo,
realizando um trabalho sobre o meio
que o envolve
68
CAD_EST_P1_V2_CAP_09.indd 68
07.09.09 09:27:50
2
Trabalho
realizado por
um gás
Encontrei
essas informações
na(s) página(s)
173 e 174
.
Associe os números aos seus respectivos conceitos completando
o diagrama abaixo.
3
Variação do volume
6 Sistema realiza trabalho sobre meio exterior
7
Compressão (SV , 0)
1 Trabalho
5 Trabalho positivo
2
Pressão
9
Meio exterior realiza trabalho sobre sistema
8
Trabalho negativo
4
Expansão (SV . 0)
transformação isobárica
5
1
#
2
4
]
5
6
7
]
8
9
3
Indique qual região dos gráficos abaixo corresponde,
numericamente, ao trabalho realizado pelo gás.
p
2
1
2
A
0
V1
A
0
V
V2
∆V
V1
∆V
V2
V
Ordene os valores dos trabalhos I, II e III, do menor para o
maior, observando o gráfico abaixo.
p
A
III
II
I
B
0
III
Caderno do Estudante • FÍSICA 2
p
p
1
V
,
II
,
I
69
CAD_EST_P1_V2_CAP_09.indd 69
07.09.09 10:22:31
Seção 9.2
Capítulo 9
Termos e
conceitos
O PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA APLICADO
À TERMODINÂMICA
Defina os termos ou conceitos a seguir.
Energia externa: energia devida às relações que um sistema guarda com seu meio exterior.
energia externa
Energia interna: energia que um sistema armazena dentro de si, sob as mais diversas formas. É a energia
energia interna
associada a suas condições intrínsecas (condições das partículas que o constituem).
Guia de estudo
1
Complete o diagrama abaixo a respeito da energia total do
sistema.
Energia interna
de um sistema
Energia total de um sistema
Encontrei
essas informações
na(s) página(s)
177 e 178
.
Energia
Energia
interna
externa
Energia
Energia
potencial
Caderno do Estudante • FÍSICA 2
Energia
térmica
Energias cinéticas
atômico-moleculares
Associada ao
movimento de
agitação térmica
das moléculas
.
Ligadas à rotação
das moléculas,
às vibrações
intramoleculares
e aos movimentos
intra-atômicos
das partículas
elementares.
cinética
Energia
potencial de
configuração
Associada às forças
internas conservativas
.
70
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07.09.09 09:27:50
Reveja a lei de Joule para os gases perfeitos completando a frase
a seguir.
energia interna
A
de uma dada quantidade de um gás
temperatura
perfeito é função exclusiva de sua
Primeira lei da
Termodinâmica
Encontrei
essas informações
na(s) página(s)
178 e 179
.
Nomeie os termos da equação a seguir.
SU 5 Q 2 D
SU 5variação da energia interna
Q 5
calor trocado com o meio exterior
D 5
trabalho realizado no processo termodinâmico
Defina a primeira lei da Termodinâmica completando o
texto a seguir com as palavras ou expressões encontradas
no diagrama.
E
A
F
T
R
O
C
A
S
I
T
T
I
P
N
P
J
Q
X
K
Q
S
W
U
E
U
P
R
E
B
K
A
T
R
A
B
A
L
H
O
Q
I
R
G
C
M
N
S
W
H
N
J
J
F
W
M
G
H
V
C
B
I
C
K
P
H
N
D
A
E
diferença
meio
com o
A
Q
P
N
J
E
N
E
R
G
I
A
I
R
I
G
R
S
D
O
A
S
S
I
P
T
H
A
N
Y
W
E
S
S
M
A
N
U
N
N
G
N
T
M
Q
R
E
F
O
H
M
A
A
D
F
M
E
A
T
V
U
G
A
J
E
N
T
M
K
A
R
L
D
A
Y
O
O
C
I
M
U
A
P
U
energia interna
A variação da
pela
I
X
L
O
I
I
I
O
K
W
A
Y
U
I
N
I
G
Ç
A
W
U
U
O
B
R
U
C
Q
A
U
B
A
L
J
Y
B
S
C
A
I
A
I
A
R
J
O
I
N
N
U
H
X
L
G
L
A
G
W
B
L
K
J
M
Q
Q
I
N
D
O
D
D
I
F
E
R
E
N
Ç
A
Z
A
A
R
G
O
Z
M
K
V
A
B
Q
F
E
U
W
O
I
de um sistema é dada
calor
entre o
exterior e o
trocado
trabalho
realizado no processo termodinâmico.
A
primeira
do princípio da
lei da Termodinâmica é uma reafirmação
conservação
válida para qualquer processo
trocas
da
natural
energia
,
Caderno do Estudante • FÍSICA 2
2
.
que envolva
de energia.
71
CAD_EST_P1_V2_CAP_09.indd 71
07.09.09 09:27:50
Seção 9.3
Capítulo 9
Termos e
conceitos
TRANSFORMAÇÕES GASOSAS
Defina os termos ou conceitos a seguir.
calor molar a
pressão constante
calor molar a
volume constante
relação de Mayer
expoente de
Poisson
Calor molar a pressão constante: é o produto da massa molar do gás pelo seu calor específico a pressão constante.
Calor molar a volume constante: é o produto da massa molar do gás pelo seu calor específico a volume constante.
Relação de Mayer: é a diferença entre o calor molar a pressão constante e o calor molar a volume constante.
Essa relação é a constante universal dos gases perfeitos (R).
Expoente de Poisson: é a razão entre o calor específico do gás a pressão constante e o calor específico do gás
a volume constante.
Guia de estudo
1
Transformações
gasosas
Encontrei
essas informações
na(s) página(s)
181 a 189
.
Reveja os conceitos de transformações gasosas completando as
frases a seguir.
Em uma transformação
isotérmica
a temperatura é constante.
Em uma transformação
isobárica
a pressão é constante.
Em uma transformação
isocórica
o volume é constante.
Em uma transformação
o meio exterior.
adiabática
o gás não troca calor com
Indique como se dá cada transformação gasosa completando a
tabela abaixo.
Caderno do Estudante • FÍSICA 2
Transformações Isotérmica
Isobárica
Isocórica
Adiabática
Variação da
energia interna
Nula
SU . 0
SU 5 Q
SU 5 2D
Calor
Q5D
Q 5 n 3 Cp 3 ST
Q 5 n 3 Cv 3 ST
Nulo
Trabalho
D5Q
D 5 p 3 SV
Nulo
D 5 2SU
Complete a tabela abaixo.
Expansão adiabática
Compressão adiabática
Trabalho é
realizado
Pelo gás
Sobre o gás
Volume
Aumenta
Diminui
Temperatura
Diminui
Aumenta
Pressão
Diminui
Aumenta
Energia interna
Diminui
Aumenta
72
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07.09.09 09:27:51
Nomeie os termos das equações para a relação de pressão e
volume, num processo adiabático.
cp
pVD 5 constante; D 5 __
​   ​ 
cv
p 5pressão
V 5 volume
D 5 expoente de Poisson
cp 5 calor específico do gás a pressão constante
cv 5 calor específico do gás a volume constante
2
Transformação
cíclica
Complete o diagrama abaixo de acordo com o conceito de
transformação cíclica.
Transformação cíclica
Encontrei
essas informações
na(s) página(s)
193 e 194
.
Ciclo em sentido
horário
Ciclo em sentido
anti-horário
Conversão de
Conversão de
calor em trabalho
trabalho em calor
Exemplifique algumas transformações adiabáticas. Mencione por que
estes processos são adiabáticos, isto é, por que não ocorre troca de calor com
o ambiente.
Resposta pessoal. Sugestão de resposta:
1) Quando enchemos um pneu com uma bomba de ar, a bomba aquece, pois o ar está sendo comprimido rapidamente.
Nesse caso, a compressão foi feita de maneira rápida, assim pode-se considerar que o processo foi adiabático.
2) Extintor de incêndio de dióxido de carbono: o agente extintor é o CO2, mantido no estado líquido, sob pressão. Ao acionar o gatilho,
o CO2 sofre uma descompressão, passando rapidamente para o estado gasoso (expansão adiabática).
Caderno do Estudante • FÍSICA 2
Faça a conexão
73
CAD_EST_P1_V2_CAP_09.indd 73
07.09.09 09:27:51
Seção 9.4
Capítulo 9
A CONVERSÃO DE CALOR EM TRABALHO
Termos e
conceitos
Defina os termos ou conceitos a seguir.
rendimento de
uma máquina
térmica
eficiência de
uma máquina
frigorífica
Rendimento de uma máquina térmica: é a razão entre a energia útil (trabalho) e a energia total.
Eficiência de uma máquina frigorífica: é a razão entre a quantidade de calor retirado da fonte fria e o trabalho
externo envolvido nessa transferência.
Termômetro legal: é um termômetro de gás a volume constante.
termômetro legal
Guia de estudo
1
Transformações
reversíveis e
irreversíveis
Encontrei
essas informações
na(s) página(s)
196
Classifique as frases abaixo como transformações reversíveis e
irreversíveis marcando R nas reversíveis e I nas irreversíveis.
R
Transformações que podem se efetuar em ambos os sentidos.
I
ransformação inversa que só pode ser efetuada como parte
T
de um processo mais complexo, envolvendo interações com
outros corpos.
R
ubo desliza em um plano inclinado e se choca elasticamente
C
em uma mola ideal voltando à posição inicial.
I
ubo desliza em um plano inclinado com atrito chocando se
C
com uma mola, sendo necessário fornecer energia para voltar
à posição inicial.
.
2
Segunda lei da
Termodinâmica
Complete o esquema abaixo a respeito da segunda lei da
Termodinâmica.
Segunda lei da Termodinâmica
Caderno do Estudante • FÍSICA 2
Encontrei
essas informações
na(s) página(s)
196 e 197
.
Enunciada por Clausius
O
calor
não passa
espontaneamente
de um corpo para outro
de temperatura mais
alta
.
Enunciada por
Kelvin e Planck
impossível
É
construir uma máquina,
operando em ciclos, cujo
único efeito seja retirar
calor
de
uma fonte e convertê-lo
integralmente em
trabalho
.
74
CAD_EST_P1_V2_CAP_09.indd 74
07.09.09 09:27:51
3
Máquinas
térmicas e
máquinas
frigoríficas
Reveja o conceito de máquina térmica relacionando os quadros
com as lacunas nas frases abaixo.
máquina térmica
trabalho
fonte quente
fonte fria
Encontrei
essas informações
na(s) página(s)
198 a 204
.
máquina térmica
Para que uma
converta calor em trabalho
de modo contínuo, ela deve operar em ciclo entre duas fontes
máquina térmica
térmicas, uma quente e outra fria. A
calor (Q 1) da
fonte quente
trabalho
em
fonte fria
retira
, converte-o parcialmente
(D) e rejeita o restante (Q 2) para a
.
Nomeie os termos das equações referentes às máquinas
térmicas e frigoríficas.
Q 2
D
Máquina térmica: g 5 ​ ___   ​ 5 1 2 ​ ___ ​ 
Q 1
Q 1
g5
rendimento de uma máquina térmica
D: 5
trabalho
Q 1 5 calor retirado da fonte quente
Q 2 5 calor rejeitado à fonte fria
Q 2
Máquina frigorífica: e 5 ___
​     ​.
D
e5
eficiência
Reveja o ciclo de Carnot completando as frases abaixo.
O ciclo de Carnot proporciona rendimento
máximo
a uma máquina térmica. Quando o ciclo é percorrido no sentido
positivo
horário, o trabalho é
máximo é função exclusiva das
. Este rendimento
temperaturas absolutas
das
fontes quente e fria. O rendimento seria 100% se a temperatura
zero absoluto
da fonte fria fosse o
é
inatingível
Caderno do Estudante • FÍSICA 2
Q 2 5 calor retirado da fonte fria
, que na prática
.
75
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07.09.09 09:27:51
Indique nos esquemas abaixo qual a direção do fluxo de energia
para uma máquina térmica e para uma máquina frigorífica.
Máquina térmica:
T1
Q1
Fonte quente
T1 > T2
T2
Máquina frigorífica:
T1
T1 >T2
D
Q2
Fonte fria
D
Q2
T2
Dado o ciclo de Carnot (percorrido
no sentido horário) apresentado na
figura ao lado, escreva AB se a frase
refere-se ao trecho percorrido de A até
B do ciclo, BC para o trecho de B até C,
e da mesma forma para CD e DA.
CD
Fonte quente
Q1
ede calor Q2 para a
C
fonte fria (T2)
Fonte fria
p
A
B
D
C
1
2
0
BC
ão ocorre troca de calor
N
nessa expansão
DA
Compressão adiabática
AB
Expansão isotérmica
AB
Recebe calor Q1 da fonte quente (T1)
DA
Não ocorre troca de calor nessa compressão
BC
Expansão adiabática
CD
Compressão isotérmica
V
Nomeie os termos da equação abaixo.
T2
g 5 1 2 ​ ___ ​ 
T1
Caderno do Estudante • FÍSICA 2
g 5
rendimento de uma máquina térmica que realiza o ciclo de Carnot
T1 5 temperatura da fonte quente
T2 5 temperatura da fonte fria
Faça a conexão
Pesquise a vida de Sadi Carnot. Descreva brevemente seu trabalho, explicando
os motivos que o levaram a desenvolver pesquisas com máquinas térmicas.
Resposta pessoal. O aluno deve mencionar que uma das suas principais motivações era patriótica. Seu pai e irmão eram envolvidos em política
(seu pai lutara na guerra de 1789), e ele queria que a França pudesse competir com a Inglaterra, que estava em meio a sua Revolução Industrial.
76
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07.09.09 09:27:51
Seção 9.5
Capítulo 9
Termos e
conceitos
PRINCÍPIO DA DEGRADAÇÃO DA ENERGIA
Defina os termos ou conceitos a seguir.
entropia
função de estado
Entropia: conceito matemático proposto por Clausius associado ao conceito estatístico de desordem.
Função de estado: grandeza que depende apenas dos estados inicial e final do sistema, e não das particulares
transformações que levam o sistema de um estado ao outro.
Guia de estudo
Entropia
Reveja o conceito de entropia completando o diagrama abaixo.
Encontrei
essas informações
na(s) página(s)
205 a 207
indisponibilidade
Medida da
da energia do sistema
.
SS 5
Q
​ __ ​ 
T
No Sistema Internacional,
Variação da
entropia (SS)
é medida em
É uma função
depende apenas
joule por kelvin (J/K)
de estado
, isto é,
dos estados inicial e final
Em qualquer processo natural, sempre
positiva
entropia sempre tende a
(isto é, a
aumentar
)
Faça a conexão
Exemplifique uma situação em seu cotidiano em que a entropia esteja envolvida.
Resposta pessoal. Sugestões de resposta: 1) Quando um carro é freado, sua energia cinética vai se transformando em energia térmica
(uma forma desordenada de energia) até que ele pare. 2) Quando um pêndulo simples é colocado em oscilação, sua energia vai se
Caderno do Estudante • FÍSICA 2
tende a ser
transformando gradativamente em energia térmica até o pêndulo parar.
77
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07.09.09 09:27:51
PARTE I
Capítulo 9
FecHando o capÍTUlo
Marque um X na coluna que melhor reflete o seu aprendizado de cada tema. Depois,
compare esta tabela com a que você preencheu no “Antes de estudar o capítulo”.
Temas principais do capítulo
Já sabia tudo Aprendi sobre Não entendi...
o tema
Socorro!!!
Calor e trabalho
Trabalho realizado por um gás
Energia interna de um sistema
Primeira lei da Termodinâmica
Transformações gasosas
Transformação cíclica
Transformações reversíveis e irreversíveis
Segunda lei da Termodinâmica
Máquinas térmicas e máquinas frigoríficas
Entropia
Se você não entendeu algum desses temas, reveja as atividades do Caderno do Estudante e
revise seu livro-texto. Quando for necessário, peça ajuda a seu professor ou a um colega.
Reveja a segunda atividade do “Antes de estudar o capítulo” e reavalie as suas
escolhas. Se julgar necessário, escreva novas justificativas e compare-as com suas
considerações iniciais.
Resposta pessoal. Numa geladeira o calor é retirado do congelador (fonte fria) e rejeitado para o ambiente (fonte quente), através da serpentina
existente na parte de trás. Essa transferência não é espontânea. É feita à custa de um trabalho externo, realizado pelo compressor. Para a geladeira,
define-se eficiência sendo a relação entre a quantidade de calor retirada da fonte fria e o trabalho externo realizado.
Caderno do Estudante • FÍSICA 2
Sintetize
Resuma as principais ideias do capítulo descrevendo as características da
propagação do calor.
Resposta pessoal. Espera-se do aluno um resumo enunciando a 1a lei da Termodinâmica e aplicando-a em transformações particulares.
Enuncia também a 2a lei da Termodinâmica.
78
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07.09.09 09:27:52