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Ciências da Natureza e suas Tecnologias – Física Ensino Médio, 2ª Série Primeira lei da termodinâmica 1 FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica A ideia de aproveitar o calor para produzir movimento (trabalho) é bem antiga. Heron de Alexandria (10 d.C. a 70 d.C.) já propunha em sua eolípila tal aproveitamento. Esta ideia ganhou a forma de máquinas térmicas e revolucionou, na segunda metade do século XVIII, a maneira pela qual as pessoas se relacionam e produzem seus bens. Imagens: Eolípila: Katie Crisalli para a U.S. Air Force / United States public domain. Heron de Alexandria: Autor desconhecido / United States public domain. Imagens: À Esquerda, Sala de máquinas penteadeiras a vapor Heilmann / Armand Kohl / Public domain. À Direita, Locomotiva a vapor / Don-kun / Public domain. Experimente você mesmo! No livro Física mais que divertida, do professor Eduardo Campos Valadares (Ed. UFMG), encontramos um experimento denominado “Usina Térmica”. A experiência consiste em aquecer uma lata de refrigerante contendo água e um furo na parte superior. Bem a frente do furo deve ser colocada uma turbina (ventoinha). Este é um bom exemplo de transformação de energia térmica em energia mecânica, ou seja, calor em movimento. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Imagem: SEE-PE redesenhada com base em //www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_08.asp Imagem: Arturo D. Castillo / Creative Commons Attribution 3.0 Unported. A força para produção de bens era braçal e bastante personalizada. O homem percebe que pode utilizar a força da água para realização de trabalhos como a moagem de grãos. Sugerimos que pesquise sobre rodas d’água e moinhos de água. Com a máquina a vapor o homem passa a controlar a fonte de energia, sendo capaz de produzir bens em larga escala. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Imagens (de cima para baixo): a - Lewis W. Hine , Yale University Art Gallery/ Public Domain; b - Roger May / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic; c – Emoscopes / GNU Free Documentation License. Clique aqui para fornecer calor ao gás. Ao ser aquecido, o gás se expande empurrando o êmbolo para cima. Notamos que o calor fornecido ao gás produziu trabalho, ao mover o êmbolo, e fez aumentar a temperatura do gás. Isso demonstra que a energia se conservou. A energia na forma de calor transformou-se em outros tipos de energia. A primeira lei da Termodinâmica corresponde, na verdade, ao princípio da conservação da energia. Assim, o calor fornecido ou retirado (Q) de um sistema resultará na realização de trabalho (δ) e na variação da energia interna do sistema (∆U). Q = δ + ∆U FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain. Trabalho realizado pelo gás (δ > 0) Quando o gás se expande, temos uma variação de volume positiva (∆V>0). Então dizemos que o gás realizou trabalho (δ>0), pois é a força do gás que desloca o êmbolo. Trabalho realizado sobre o gás (δ < 0) Quando o gás é comprimido, temos uma variação de volume negativa (∆V<0). Então dizemos que o trabalho foi realizado sobre o gás (δ<0), pois uma força externa desloca o êmbolo. F Gás FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Energia Interna (U) A energia interna de um gás está diretamente relacionada com sua temperatura. Assim, uma variação na temperatura do gás indicará variação de sua energia interna (∆U). Para moléculas monoatômicas, tem-se: K n – número de mols do gás; R – constante universal dos gases (8,31 J/mol.K); T – temperatura do gás. Ligue aqui o aquecimento FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain. Numa transformação isovolumétrica, todo calor recebido ou cedido (Q) pelo gás será transformado em variação da sua energia interna (∆U) . Como não há variação de volume, também não há realização de trabalho (δ). Q = δ + ∆U Q = ∆U K Calor recebido ∆U > 0 Calor cedido ∆U < 0 FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Numa transformação isotérmica,, todo calor trocado pelo gás (Q), recebido ou cedido, resultará em trabalho(δ) . Uma vez que não há variação de temperatura, também não há variação de energia interna(∆U). Q = δ + ∆U Q = δ K Calor Recebido δ > 0 Calor cedido δ < 0 FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Numa transformação adiabática,, não ocorre troca de calor (Q) do gás com seu entorno. Assim, todo trabalho(δ) realizado pelo gás (δ>0) ou sobre o gás (δ<0) resultará na variação de energia interna(∆U). Q = δ + ∆U δ = -∆U K δ > 0 δ < 0 Quando o trabalho é positivo (realizado pelo gás) observamos uma diminuição da temperatura. Quando o trabalho é negativo (realizado sobre o gás) observamos um aumento na temperatura. (clique para ver animação e fique atento a marcação do termômetro) FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Experimente você mesmo! Ao encher uma bola fazendo movimentos rápidos na bomba, notamos o aquecimento da mesma. Isto acontece porque o ar, uma vez comprimido rapidamente, eleva sua temperatura. Como o processo é rápido, não há tempo para troca de calor com o meio externo. Trata-se de uma compressão adiabática. Um outro exemplo, contrário ao anterior, mas que ilustra o mesmo tipo de transformação, é o uso do aerossol. Ao mantê-lo pressionado por algum tempo, notamos o resfriamento da lata. A expansão do gás produz uma diminuição de sua temperatura. Trata-se de uma expansão adiabática. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Imagens (de cima para baixo): a – Air pump / Priwo / Public Domain; b – Football / flomar / Public Domain; c – Aerosol / PiccoloNamek / GNU Free Documentation License. Em resumo... Transformação Isotérmica Q = δ Transformação Isovolumétrica Q = ∆U Transformação Adiabática δ = -∆U FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Vamos resolver juntos! 01. Transfere-se calor a um sistema, num total de 200 calorias. Verifica-se que o sistema se expande - realizando um trabalho de 150 joules – e sua energia interna aumenta. a) Considerando 1 cal = 4J, calcule a quantidade de energia transferida ao sistema, em joules. b) Utilizando a primeira lei da termodinâmica, calcule a variação de energia interna desse sistema. Próximo Problema FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica De início, é preciso considerar que a pressão do gás se mantém constante. Logo, a força que o gás exerce sobre o êmbolo é constante e não deve ser maior que 400N, pois o êmbolo deve subir lentamente. Caso a força fosse maior que 400N, o êmbolo subiria aceleradamente. Assim, a força do gás deve ser 400N e o êmbolo deverá subir com velocidade constante. F 400N Lembremos que o trabalho de uma força é calculado por ... δ = 400x0,02 Onde “F” é o valor da força e “d” o deslocamento que a força produz. Assim temos... δ = Fxd δ = 8 J Voltar FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica d = 0,02m Então, para obter a mesma energia da Gasolina (em 1Kg), o volume de GNV será... 893 vezes maior que o volume da gasolina. Então será necessário comprimir o GNV (aumentar a pressão) para se ter a mesma energia em um volume menor. Assim, a alternativa que responde a questão será... b) muito maior, o que requer que ele seja armazenado á alta pressão. FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica Tente resolver! 05. Qual é a variação de energia interna de um gás ideal sobre o qual é realizado um trabalho de 80J durante uma compressão isotérmica? a) 80J; b) 40J; c) Zero; d) - 40J; e) - 80J. 04. Enquanto se expande, um gás recebe o calor Q=100J e realiza o trabalho δ=70J. Ao final do processo, podemos afirmar que a energia interna do gás: a) aumentou 170 J; b) aumentou 100 J;
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