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Termodinâmica: Primeira Lei, Trabalho e Calor
1. O documento discute os princípios da termodinâmica, incluindo a primeira lei da termodinâmica, energia interna, trabalho e calor. 2. É apresentado um exemplo de cálculo de variação de energia interna em um sistema que realiza trabalho e troca calor. 3. O documento também explica conceitos como sistema termodinâmico, trabalho reversível e irreversível, trabalho de compressão e expansão.
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- 1. Prova de Desempenho Concursopara docente do IFPE Edital 125/2016-GR Professor candidato: Carlos Augusto Cabral Kramer 1 TERMODINÂMICA Primeira Lei | Energia interna | Trabalho | Calor
- 2. O QUE VAMOSAPRENDER NESTA AULA? 2 •Princípio da conservação da energia; •O conceito de energia interna; •Primeira lei da termodinâmica; •Energia interna de um gás ideal; •Conceitos de trabalho e calor; •Classificação dos sistemas termodinâmicos; •Conceito de trabalho reversível e irreversível; •Trabalho de compressão/expansão de um pistão; •Trabalho de expansão livre, extra e nulo
- 3. DE ONDE VEMA ENERGIA DO USAIN BOLT? Figura 01. Usain Bolt nas olimpíadas do Rio 2016 3 http://giphy.com/gifs/usain-bolt-PGMyvQrupEd20, 2016 Figura 02. Alimentos Fonte: http://greenstore4u.com/, 2016 Alimentos O2(g) CO2(g) H2O(l) EnergiaDigestão Reação biológica de obtenção de energia
- 4. A GRANDE SACADADE JULIUS MAYER 4 Fonte: http://www.mundobiologia.com/ Figura 03. Estrutura da Hemoglobina Figura 04. Hemácia Fonte: http://www.mundobiologia.com/ Transporte dos gases Figura 05. Tipos de sangue Fonte: http://image.slidesharecdn.com, 2016 Rico em CO2 Rico em O2
- 5. A GRANDE SACADADE JULIUS MAYER 5 Figura 06. Julius Robert von Mayer Em 1840 trabalhava como médico no navio cargueiro Java e como procedimento para diminuição da pressão cardíaca dos marinheiros retirava-lhe pequenas quantidades de sangue arterial Percebeu que em regiões tropicais o sangue venoso era mais avermelhado que nas regiões temperadas, pois o consumo de oxigênio era menor. Energia dos alimentos Calor (q) Trabalho (w) Fonte: http://www.nndb.com/, 2016 Figura 07. Temperatura de funcionamento do corpo humano é de 37 oC Figura 08. O corpo humano realiza inúmeros trabalhos ao mesmo tempo Fonte: http://www.nndb.com, 2016 Fonte: http://www.nndb.com, 2016 Um dos principais fundadores da termodinâmica...
- 6. PRINCÍPIO DA EQUIVALÊNCIAENERGÉTICA 6 365 m Mayer dedicou grande parte de sua vida ao estudo da dinâmica energética. Em 1842 calculou que a energia necessária para elevar 1g de água a 365 m é igual a energia necessária para elevar a temperatura desta mesma massa de água de 0 para 1 oC Fonte: http://br.depositphotos.com/, 2016 Fonte: AUTOR, 2016 ~4,18J Figura 09. Trabalho para subir 365 m Figura 10. Elevação de 1 oC
- 7. A GRANDE SACADADE JULIUS MAYER 7 Cada batida do coração custa 1J de energia Fluxo da sangue (trabalho) Transformação em calor 20% 80% 343 kcal = 1441 KJ Uma unidade 1.441.000 batimentos cardíacos (15 dias a 60 bat/min) 288.200J para o fluxo de sangue e 1.152.800J em calor 1J
- 8. PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃODA ENERGIA 8 Em 1845 Joule estudou diferentes formas de converter trabalho em calor Fonte: http://www.thefamouspeople.com, 2016 Figura 11. James Prescott Joule Aquecimento elétrico, compressão de gases e movimento de moinhos mecânicos Para elevar em 1 oC a temperatura da água é necessário ~4,18J Em 1840 publicou um artigo sobre o efeito térmico da corrente elétrica: q = I2RΔt
- 9. PRIMEIRA LEI DATERMODINÂMICA 9 Mayer Joule Aprimoramento matemático Helmholtz PRIMEIRA LEI Conservação da energia Energia interna = Calor + Trabalho dU = dq + dw ΔU = Q + W
- 10. SISTEMA TERMODINÂMICO 10 Universo (limitede estudo) Sistema Vizinhança do sistema
- 11. 11 SISTEMA TERMODINÂMICO Sistema aberto SistemaFechado Sistema Isolado Calor Matéria Calor Fronteira Diatérmica Fronteira Adiabática ΔU sempre será = 0
- 12. A ENERGIA INTERNA 12 Figura12. Erlemeyer com gasolina Fonte: http://quatrorodas.abril.com.br/, 2016 A energia interna pode descrita como resultado de duas energias principais •Energia cinética •Energia Potencial 2C8H18(l) + 25O2(g) --> 16CO2(g) + 18H2O(g) + 10.942kJ Figura 13. Temperatura do motor com o carro em movimento Fonte: http://quatrorodas.abril.com.br/, 2016 Reação de combustão do octano – constituinte da gasolina
- 13. 13 É uma propriedadeextensiva e uma função de estado A B 1 3 2 ΔU = Ufinal – Uinicial = UB - UA A ENERGIA INTERNA 2C8H18(l) + 25O2(g) 16CO2(g) + 18H2O(g) UA UB= ? = ? 10.942 kJ Combustão do octano ΔU = Ufinal – Uinicial = UB – UA = 10.942 kJ
- 14. 14 01 – Ummotor produz 56KJ de trabalho e 14KJ de calor. Qual a variação de energia interna? 02 – Após 5 pessoas sentarem em um carro realizou-se um trabalho de compressão dos amortecedores de 300 KJ e 50 KJ se dissipou na forma de calor. Qual a variação de energia interna do amortecedor? R: +250 KJ R: -70KJ Fonte: BoxOnline.blog.br, 2016 Figura 16. Amortecedor Resolvendo com o professor Resolvendo com o professor A ENERGIA INTERNA
- 15. 15 A ENERGIA INTERNADE UM GÁS Teorema da equiparação da energia (Maxwell) U = Upotencial + Ucinética Gás monoatômico: U = 3RT 2 Gás de molécula linear: U = 5RT 2 Gás de molécula não-linear: U = 3RT 0 He 1mv² x 2 1mv² z 2 1mv² y 2 U = Ucinética U = 1mv²x + 1mv²z + 1mv²y 2 2 2 U = 3RT 2 R = 8,314 J/K.mol T = Kelvin
- 16. 16 A ENERGIA INTERNA Emuma reação química a massa se conserva? Figura 17. Antoine Lavoisier Fonte: http://www.fisicaquimicaweb .com/, 2016 "Na Natureza nada se cria e nada se perde, tudo se transforma". 1785 | Lei de conservação das massas Figura 18. Albert Eintein Fonte: http://www.thefamouspeople. com, 2016 E = mC² 1905 | Equivalência massa- energia E = Energia (J) m = massa (Kg) C = Vel. Luz no vácuo (m/s) 2H(g) H2(g) ΔU = -431 kJ Massa inicial Massa final 2g 2g E = mC² m = _ E _ C² Δm = (mf – mi) -Δm = ____-431.000 J_____ (299 792 458 m/s)² Δm = 4,8.10-12 Kg ---- 0,00000024% de perda de massa que se converte em energia
- 17. CALOR E TRABALHO 17 Calor Transportede energia através do movimento caótico das partículas, átomos, moléculas, elétrons, etc. Trabalho Transporte de energia através do movimento ordenado das partículas, átomos, moléculas, elétrons, etc. contra um força contrária Fonte: http://www.netfisica.com/, 2016 Figura 13. Trabalho elétrico Figura 14. Efeito Joule – Geração de calor Fonte: http://www.netfisica.com/, 2016
- 18. TRABALHO Expressão física dotrabalho 18 dW = -FdX X dW = -FdX W = -F.X W = -F.(B-A) O sinal negativo informa que o sistema (o operário) realizou trabalho contra o meio externo (carrinho) Figura 15. Trabalho realizado por um operário Fonte: http://www.netfisica.com/, 2016 Em relação ao sistema
- 19. TRABALHO 19 Trabalho de compressão/expansãode um pistão P = F/A F= P.A dW = -F.dX dW = -(Pex.A)dX dW = -PexAdX dW = -PexdV => W = -Pex. ΔV ΔU = Q + W => ΔU = Q –Pex. ΔV P: N/m² (Pa) e V: m³
- 20. TRABALHO 20 Sistema em equilíbriocom suas vizinhanças Pressão interna = Pressão externa dW = -PexdV = dW = -PintdV Variação de volume não infinitesimal Pressão externa constante W = -Pex ΔV Compressão/expansão Reversível e irreversível Pressão interna agora é uma fração da pressão total
- 21. TRABALHO REVERSÍVEL ISOTÉRMICO 21 Trabalhode compressão de um pistão Trabalho de expansão de um pistão Vf < Vi Vf > Vi W = -Pex. ΔVW = -Pex. -ΔV Trabalho positivo, o meio externo realiza trabalho sobre o sistema Trabalho positivo, o sistema realiza trabalho ao meio externo Supondo Q = 0, ΔU = W, ΔU > 0 Supondo Q = 0, ΔU = W, ΔU < 0
- 22. 22 R: +250 KJ Fonte:BoxOnline.blog.br, 2016 Resolvendo com o professor Resolvendo com o professor TRABALHO REVERSÍVEL 03- Uma reação química que ocorre em um vaso de sessão reta de área 100 cm² (0,01 m²) provido de um pistão. Em virtude da reação o pistão sobe 10 cm (0,1m) contra a pressão externa de 1 atm. Qual o trabalho feito pelo sistema? R: -101 J 1 atm = 101.000 Pa 04 – Supondo no exercício anterior que ocorra um resfriamento da vizinhança do sistema equivalente a 51 J. Qual a variação de energia interna do sistema? R: -50 J
- 23. TRABALHO IRREVERSÍVEL 23 Trabalho deexpansão na transformação de fase condensada para gasosa contra pressão atmosférica Figura 16. Explosão do TNT Fonte: http://greenstore4u.com/, 2016 Figura 16. Estrutura do Trinitro tolueno (TNT) Reação explosiva do TNT Vfinal >>Vinical ΔV = Vf W = -Pex ΔV W = -Pext Vf PV = nRT V = _nRT_ P W = -Pext. _nRT_ P W = -nRT n = número de mols gasosos R = Constante universal dos gases T = Temperatura do gás Fonte: http://greenstore4u.com/, 2016
- 24. TRABALHO NULO 24 Figura 16.Um balão cheio de gás vagando no vácuo do espaço sideral Estoura e o gás se expande numa expansão livre Fonte: newevolutiondesigns.com, 2016 ΔV >> 0 Ausência de força oposta, Pext = 0, W = 0 Ausência de matéria para trocas térmicas, Q = 0 ΔU = 0
- 25. TRABALHO EXTRA 25 dU =dQ + dWexp + dWext Todo trabalho que o sistema realiza além do trabalho de expansão gasosa Exemplo Trabalho elétrico Welétrico = ΦdQ, onde Φ é o potencial elétrico (volts) e dQ a variação de carga (Coulomb) Resolvendo com o professor 05 – Qual a variação de energia interna de uma bateria de carro após produzir 400 kJ de trabalho elétrico e perder 50 kJ no efeito joule? R: -450kJ
- 26. ESTUDO TERMODINÂMICO DOTRABALHO EM UM MOTOR À GASOLINA 26 Entrada da mistura Ar + Gasolina (1) – Sistema aberto (2) Compressão da mistura – Sistema Fechado W > 0, ΔU > 0 (3) Centelha (vela)/ Expansão – Sistema fechado W < 0, Q <0, ΔU < 0 Abertura válvula de escape (4) – Sistema aberto Motor gasolina ciclo Otto Universo Sistema: Câmara de combustão Vizinhanças: O resto do motor
- 27. QUADRO RESUMO 27 Conservação da Energia Calor Trabalho Transportecaótico da energia Transporte orientado da energia + = Variação da Energia interna ΔU = Q + Wexp + Wext W = -PextΔV Energia cinética e potencial de um sistema Aberto, fechado ou adiabático
- 28. PRÓXIMOS ASSUNTOS 28 • Trocastérmicas; •Variação da energia interna na ausência de trabalho; •Calorimetria; •Capacidade calorífica a volume constante; •Entalpia; •Capacidade calorífica a pressão constante;