Aula 10

FÍSICA
2° ANO
ENSINO MÉDIO
PROF. NELSON BEZERRA
PROF. JEAN CAVALCANTE
CONTEÚDOS E HABILIDADES
Unidade II
Vida e Ambiente
2
CONTEÚDOS E HABILIDADES
Aula 10.1
Conteúdos
•• As leis da termodinâmica: Gases perfeitos e suas
transformações
3
CONTEÚDOS E HABILIDADES
Habilidades
•• Compreender os conceitos da Termodinâmica e das
propriedades térmicas dos gases e suas transformações,
tais como, suas variáveis de estado, pressão, temperatura
e volume e principalmente a transformação Isobárica e
Adiabática.
•• Relacionar a 1ª lei da termodinâmica com essas
transformações.
4
REVISÃO
As transformações gasosas
As grandezas físicas temperatura, volume e pressão de um
gás perfeito, suas variáveis de estado, que em conjunto
definem o comportamento macroscópico do gás. Para
determinada massa, a variação de pelo mesmo duas dessas
variáveis de estado caracteriza uma transformação sofrida
pelo gás.
5
REVISÃO
Transformação Isotérmica
Quando determinada massa de um gás perfeito sofre uma
transformação e, sua pressão é inversamente proporcional
ao volume por ele ocupado (massa e temperatura mantêmse constantes).
pV = K1, sendo: p = pressão; V = volume e K1 = constante
que depende da massa, da temperatura e da natureza do
gás.
Lei de Boyle:
p1V1 = p2V2 = p3V3
6
REVISÃO
Transformação Isobárica
Quando determinada massa de gás perfeito passa por
uma transformação, seu volume deve variar, mantendo-se
diretamente proporcional à temperatura absoluta desse gás
(a pressão do gás perfeito mantém-se constante).
Lei de Charles e Gay-Lussac:
V1 / T1 = V2 / T2 = V3 / T3
7
REVISÃO
Transformação Isométrica
Quando determinada massa de gás perfeito sofre uma
transformação, sua pressão mantém-se diretamente
proporcional à sua temperatura absoluta (o volume de um
gás permanece constante).
p = K 3T
Lei de Charles:
P1/T1 = P2/T2 = P3/T3
Equação de Clapeyron:
p.V = n.R.T
8
DESAFIO DO DIA
1. O que acontece em uma transformação Isotérmica?
2. O que acontece em uma transformação Isométrica?
9
AULA
Lei Zero da Termodinâmica
Esta lei diz que dois sistemas
físicos estão em equilíbrio
se, ao serem colocados em
contato térmico, não há fluxo
de calor entre eles.
10
AULA
1ª. Lei da Termodinâmica
Para todo sistema termodinâmico existe uma função
característica denominada energia interna. A variação
dessa energia interna (ΔU) entre dois estados quaisquer
pode ser determinada pela diferença entre a quantidade de
calor (Q) e o trabalho (τgas) trocados com o meio externo.
ΔU = Q - τgas
11
AULA
Transformações termodinâmicas particulares
No estudo da termodinâmica dos gases perfeitos,
encontramos quatro transformações particulares que
devem ser analisadas com mais detalhes: a isotérmica, a
isométrica, a adiabática e a isobárica.
12
AULA
Transformação isotérmica
Nas transformações isotérmicas, a temperatura do sistema
gasoso mantém-se constante e, em consequência, a
variação de sua energia interna é nula (ΔU = 0). Sabendo-se
que sua temperatura absoluta (U = 3/2 nRT).
Q = τgas
A equação acima significa que o calor e o trabalho trocados
com o meio externo são iguais.
13
AULA
Transformação isotérmica
Duas possibilidades
a)Se o sistema gasoso recebe
calor (Q > 0), essa energia é
integralmente utilizada na
realização de trabalho (τgas > 0).
Q = τgas, pois ΔU = 0
Q > 0 e τgas > 0
14
AULA
Transformação isotérmica
Duas possibilidades
b) Se o sistema gasoso recebe
trabalho (τgas < 0), ele cede para o
meio externo igual quantidade de
energia em forma de calor
(Q < 0).
15
AULA
τgas = Q, pois ΔU = 0
τgas < 0 e Q < 0
A temperatura do gás não varia em
uma transformação isotérmica, mas
ele troca calor com o meio externo.
16
AULA
Transformação isométrica
Nas transformações isométricas (também denominadas
isovolumétricas ou, ainda, isocóricas), o volume do gás
mantém-se constante e, em consequência, o sistema não
troca trabalho com o meio externo (τgas = 0). Esse tipo de
transformação o sistema não realiza nem recebe trabalho.
ΔU = Q
17
AULA
Transformação isométrica
Duas possibilidades
a)Se o sistema recebe calor
(Q > 0), sua energia interna
aumenta (ΔU > 0) e igual
valor:
τgas = 0 Q = ΔU
18
AULA
Transformação isométrica
Duas possibilidades
b)Se o sistema cede calor
(Q < 0), sua energia diminui
(ΔU < 0) em igual valor:
τgas = 0 Q = ΔU
19
AULA
Transformação isobárica
A pressão do sistema gasoso mantém-se constante.
Dessa forma, a análise do que ocorre é feita pela Equação
de Clapeyron, para um gás perfeito como sistema físico
intermediário.
p.V = nRT
20
AULA
Transformação isobárica
Duas possibilidades
a)Quando a temperatura
absoluta do sistema
aumenta, seu volume
também aumenta. ΔU > 0
τgas > 0
ΔU = Q - τgas ou Q = τgas + ΔU
21
AULA
Transformação isobárica
Duas possibilidades
b) Quando a temperatura
absoluta do sistema
diminui, seu volume
também diminui.
22
AULA
Isso significa que sua
energia interna diminui
(ΔU < 0) e que o sistema
recebe trabalho (τgas < 0).
ΔU = Q - τgas ou Q = τgas + ΔU
23
AULA
2ª.Lei da Termodinâmica
O rendimento de uma máquina térmica é definida pela
função do calor recebido da fonte quente que é usada para
a realização de trabalho:
η = τ / |QA| = |QA - |QB| / |QA|
η = 1 – |QB| / |QA|
24
AULA
Enunciado de Kelvin – Planck para a 2ª Lei da
Termodinâmica
É impossível construir uma máquina que, operando
em transformações cíclicas, tenha como único efeito
transformar completamente em trabalho a energia térmica
recebida de uma fonte.
25
AULA
Exemplo 1
Um gás perfeito monoatômico
sofre o conjunto de
transformações indicadas no
esquema a seguir:
a)Sendo T a temperatura
absoluta do gás em A, qual é a
sua temperatura em D?
26
AULA
b)Sendo n o número de mols
e R a constante universal
dos gases perfeitos, qual é a
variação de energia interna do
gás ao passar do estado A para
o D?
c)Qual é a razão entre os
trabalhos do gás nas
transformações AB e CD?
27
AULA
Resolução:
a)Como o número de mols do gás não varia, podemos
aplicar a Lei Geral dos Gases Perfeitos:
pA.VA / TA = pD.VD/ TD
p.V / T = p/2 .2V /TD .
TD = T
28
AULA
b)Como as temperaturas TA e TD são iguais, conclui-se que
a variação de energia interna é nula:
ΔUAD = 0
c)Nas transformações AB, o volume aumenta e o sistema
realiza trabalho (τAB > 0) igual à “área” encontrada sob o
gráfico:
τAB = + pV
29
AULA
Na transformação CD, o volume diminui e o sistema recebe
trabalho (τCD < 0) igual a:
τCD = - p/2 . 2V τCD = -pV
Assim, a razão entre esses trabalhos é dada por:
τAB / τCD = + pV / - pV = -1
τAB / τCD = -1
30
DINÂMICA LOCAL INTERATIVA
1. Leia as afirmações com atenção:
(1) A 1ª Lei da Termodinâmica pode ser traduzida pela
seguinte afirmação: “A energia não pode ser criada nem
destruída, mas somente transformada de um tipo em
outro”;
(2) O calor flui espontaneamente de um corpo mais frio
para um corpo mais quente;
(04) A energia interna de dada massa de um gás perfeito
não depende da temperatura do gás;
31
DINÂMICA LOCAL INTERATIVA
(08) O rendimento de uma máquina de Carnot independe
das temperaturas da fonte fria e da fonte quente;
(16) É impossível transformar calor em trabalho utilizando
apenas duas fontes de calor e temperaturas diferentes;
(32) O termômetro é um aparelho destinado a medir
diretamente o calor de um corpo.
32
DINÂMICA LOCAL INTERATIVA
2) Uma máquina térmica teórica opera entre duas fontes
térmicas, executando o ciclo de Carnot. A fonte fria
o
o
encontra-se a 127 C e a fonte quente a 447 C. Qual o
rendimento percentual dessa máquina?
Dado: o rendimento de uma máquina que executa o ciclo de
Carnot é dado por:
η = 1 – |TB| / |TA|, sendo TA temperatura absoluta da fonte
quente e TB é da fonte fria.
33