Aula 09

FÍSICA
2° ANO
ENSINO MÉDIO
PROF. NELSON BEZERRA
PROF. JEAN CAVALCANTE
CONTEÚDOS E HABILIDADES
Unidade II
Vida e Ambiente
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CONTEÚDOS E HABILIDADES
Aula 9.2
Conteúdos
•• As leis da termodinâmica: Exercícios sobre energia
interna e a 1ª lei da termodinâmica
3
CONTEÚDOS E HABILIDADES
Habilidades
Compreender os conceitos da Termodinâmica e das
propriedades térmicas dos gases e suas transformações.
Aplicar a 1ª lei da termodinâmica na solução de problemas
simples envolvendo transformações gasosas.
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REVISÃO
Gráficos das transformações gasosas: Isotérmica
p.V =K1
p1, V1
p2, V2
p3, V3
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REVISÃO
Nessas transformações, a massa e a temperatura do gás
perfeito mantêm-se constantes. Dessa forma, a Lei de
Boyle garante a validade da relação:
p1V1 = p2V2 = p3V3
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REVISÃO
O diagrama da pressão (p) x Volume (V), a representação
gráfica da Lei de Boyle é um ramo da hipérbole:
T3 > T2 > T1
T3
T2
T1
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REVISÃO
Transformações gasosas: Isovolumétrica.
p = K 3T
P1/T1 = P2/T2 = P3/T3
P1, T1
P2, T2
P3, T3
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REVISÃO
Em um diagrama pressão (p) x temperatura (T ou Ө), a Lei
de Charles é representada por um segmento de reta oblíquo
aos eixos.
Os Gráficos abaixo:
P
VC
VB
VA > VB > VC
VA
Ѳ (oC)
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REVISÃO
Trabalho termodinâmico
Área A
F
d
τ
>
0
gás
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REVISÃO
Trabalho termodinâmico
Área A
F
d
τ
<
0
gás
Considere a compressão de um gás perfeito.
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REVISÃO
•• Na expansão, τgás > 0 e o gás fornece energia na forma de
trabalho: o gás realiza trabalho.
•• Na compressão, τgás < 0 e o gás recebe energia na forma
de trabalho: o gás recebe trabalho.
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DESAFIO DO DIA
1) Qual a Lei de Boyle?
2) O que acontece com o gás quando:
a) Na expansão?
b) Na compressão?
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AULA
Exemplo 1
(FEI) Numa transformação de um gás perfeito, os
estados final e inicial acusaram a mesma energia
interna. Certamente:
a) A transformação foi cíclica.
b) A transformação foi isométrica.
c) Não houve troca de calor entre o gás e o ambiente.
d) São iguais as temperaturas dos estados inicial e final.
e) Não houve troca de trabalho entre o gás e o meio.
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AULA
Exemplo 1
(FEI) Numa transformação de um gás perfeito, os
estados final e inicial acusaram a mesma energia
interna. Certamente:
a) a transformação foi cíclica.
b) a transformação foi isométrica.
c) não houve troca de calor entre o gás e o ambiente.
d) são iguais as temperaturas dos estados inicial e final.
e) não houve troca de trabalho entre o gás e o meio.
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AULA
Exemplo 2
(ACAFE-SC) Um gás ideal recebe calor e fornece trabalho
após uma das transformações:
a) Adiabática e isobárica.
b) Isométrica e isotérmica.
c) Isotérmica e adiabática.
d) Isobárica e isotérmica.
e) Isométrica e adiabática.
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AULA
Exemplo 2
(ACAFE-SC) Um gás ideal recebe calor e fornece trabalho
após uma das transformações:
a) Adiabática e isobárica.
b) Isométrica e isotérmica.
c) Isotérmica e adiabática.
d) Isobárica e isotérmica.
e) Isométrica e adiabática.
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AULA
Exemplo 3
Qual a energia interna de 1,5 mols de um gás perfeito na
temperatura de 20°C? Considere R= 8,31 J/mol.K.
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AULA
Resolução:
Converter a temperatura da escala Celsius para Kelvin:
TK = 273 + C
o
TK = 273 + 20
TK = 293K
Utilizar a equação da energia interna:
U = 3/2 n.R.T
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AULA
Sendo: U = Energia Interna n = Número de mols R = Constante T = Temperatura em Kelvin
Substituir os valores na equação:
U = 3/2 . 1,5 . 8,31 . 293
U = 5,47 kJ
20
AULA
Exemplo 4
Um sistema gasoso ideal troca (recebe ou cede) com o meio
externo 150 cal em forma de calor. Determine, em joules, o
trabalho trocado com o meio, em cada um dos casos:
•• Expansão isotérmica;
•• Compressão isotérmica;
•• Aquecimento isotérmico.
Dado: 1 cal = 4,18J
21
AULA
Resolução:
Nas transformações isotérmicas não há variação de
temperatura e, em consequência, a energia interna do
sistema mantêm-se constante (ΔU = 0). Da 1ª.Lei da
Termodinâmica, ΔU = Q - τgás , vem:
Q = τgás
a) Na expansão, o volume aumenta e o sistema realiza
trabalho (τgás > 0), recebendo calor (Q > 0).
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AULA
τgás = Q = 150cal
τransformando caloria em joule, vem:
τgás = JQ
τ
τgás = 627J
=
4,18
.
150
gás
b) Na compressão, o volume diminui e o sistema recebe
trabalho (τgás < 0), cedendo calor (Q < 0).
τ
=
Q
=
-150
cal
gás
transformando caloria em joules, vem:
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AULA
τ
=
627J
gás
τ
=
0
gás
c) Nas transformações isométricas, o volume permanece
constante e não há trabalho trocado com o meio externo.
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DINÂMICA LOCAL INTERATIVA
1. Uma transformação é dada pelo gráfico abaixo:
p(N/m )
2
4 . 10
5
2 . 10
5
V(m )
3
4
7
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DINÂMICA LOCAL INTERATIVA
Qual o trabalho realizado por este gás?
O trabalho realizado pelo gás é igual a área sob a curva do
gráfico, ou seja, a área do trapézio azul.
Dado: Área do Trapézio Aτ = (lateral menor + lateral
maior). Δ base /2
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DINÂMICA LOCAL INTERATIVA
2) A primeira coluna descreve uma transformação sofrida
pelo gás, a segunda contém a denominação utilizada
para indicar essa transformação.
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DINÂMICA LOCAL INTERATIVA
(A) o gás realiza trabalho e
sua energia
(B) o gás tem sua energia
interna aumentada e não
troca trabalho com o meio
externo
(C) O gás não troca calor
com o meio externo, mas
sua temperatura aumenta
(1) Compressão isotérmica
(2) Compressão adiabática
(3) Aquecimento isométrico
(D) o gás recebe trabalho e
(4) Expansão isotérmica
sua energia interna não varia
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DINÂMICA LOCAL INTERATIVA
Em qual das alternativas as associações estão corretas?
a) A-1; B-2; C-3 e D-4
b) A-4; B-2; C-1 e D-3
c) A-4; B-3; C-2 e D-1
d) A-3; B-1; C-4 e D-2
e) A-2; B-4; C-1 e D-3
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RESUMO DO DIA
Energia Interna
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RESUMO DO DIA
1. A energia interna está intimamente relacionada com a
temperatura absoluta do gás e pode ser expressa pela
expressão:
3
U= .n.R.T
2
31
RESUMO DO DIA
Nesta expressão:
a) n é o número de moles contidos em uma massa m de
gás.
b) R é a constante universal dos gases ideais, seu valor é
0,082 atm.l/K.mol ou 8,31 J/K.mol(SI).
c) T é a temperatura absoluta (em Kelvin).
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RESUMO DO DIA
A variação da energia interna (ΔU) de um gás é uma
grandeza muito importante no estudo da termodinâmica e
depende da variação da temperatura sofrida pelo gás, ou
seja:
3
ΔU = . n . R . ΔT
2
Nessa expressão ΔT representa a variação da temperatura
sofrida pelo gás.
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RESUMO DO DIA
A primeira lei da termodinâmica
“A quantidade de calor recebida ou cedida pelo sistema é
igual à soma da variação da energia interna e o trabalho
realizado ou recebido pelo gás.”
Matematicamente a primeira lei pode ser expressa pela
seguinte relação:
Q = ΔU + W
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RESUMO DO DIA
As transformações gasosas: Isotérmica
p.V =K1
Nessas transformações, a massa e a temperatura do gás
perfeito mantêm-se constantes. Dessa forma, a Lei de
Boyle garante a validade da relação:
p1V1 = p2V2 = p3V3
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RESUMO DO DIA
A pressão (p) x Volume (V), a representação gráfica da Lei
de Boyle é um ramo da hipérbole:
Transformações gasosas: Isovolumétricas.
p = K 3T
P1/T1 = P2/T2 = P3/T3
Em uma transformação: pressão (p) x temperatura (T ou Ө),
a Lei de Charles é representada por um segmento de reta
oblíquo aos eixos.
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RESUMO DO DIA
Trabalho termodinâmico
Área A
F
d
τ
>
0
gás
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RESUMO DO DIA
Trabalho termodinâmico
Área A
F
d
τ
<
0
gás
Considere a compressão de um gás perfeito.
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RESUMO DO DIA
No trabalho termodinâmico
•• Na expansão, τgás > 0 e o gás fornece energia na forma de
trabalho: o gás realiza trabalho.
•• Na compressão, τgás < 0 e o gás recebe energia na forma
de trabalho: o gás recebe trabalho.
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INTERATIVIDADE FINAL
A energia interna de um sistema termodinâmico depende de
uma das variáveis de estado. Essa variável é:
a) Pressão
b) Volume
c) Temperatura
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INTERATIVIDADE FINAL
1) Qual a Lei de Boyle?
2) O que acontece com o gás quando:
a) Na expansão?
b) Na compressão?
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