Primeiro Principio da Termodinamica (Primeira Lei) (1) [Modo de Compatibilidade]

Prévia do material em texto

UNIFACS UNIFACS –– UNIVERSIDADE SALVADORUNIVERSIDADE SALVADOR
DISCIPLINA: TERMODINÂMICA BÁSICA
PROFESSORA: SARA AGRELA
(AULA 01)
Plano de AulaPlano de AulaPlano de AulaPlano de Aula
Objetivo:j
A té i d l l d á dAo término da aula, o aluno deverá ser capaz de:
• Compreender e interpretar a 1ª Lei da
Termodinâmica.
• Resolver questões relacionadas à 1ª Lei da• Resolver questões relacionadas à 1 Lei da
Termodinâmica.
Assuntos que serão abordados na AulaAssuntos que serão abordados na AulaAssuntos que serão abordados na AulaAssuntos que serão abordados na Aula
• Apresentação e Definição da 1ª Lei da
TermodinâmicaTermodinâmica.
E l ã d T b lh Ad bá d f d• Explicação do Trabalho Adiabático, identificando as
fórmulas.
• Compreensão dos Processos Reversíveis ep
Irreversíveis.
Assuntos que serão abordados na AulaAssuntos que serão abordados na Aula
• Análise dos Processos Isocóricos,Análise dos Processos Isocóricos,
Isobáricos e Isotérmicos.
• Resolução de Exercícios.
1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica
A primeira lei da termodinâmica nada mais é que oA primeira lei da termodinâmica nada mais é que o
princípio da conservação de energia e, apesar de
ser estudado para os gases pode ser aplicado emser estudado para os gases, pode ser aplicado em
quaisquer processos em que a energia de um
sistema é trocado com o meio externo na formasistema é trocado com o meio externo na forma
de calor e trabalho.
1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica1 Lei da Termodinâmica1 Lei da Termodinâmica
Um sistema termodinâmico é caracterizado
por ser capaz de realizar trocas de energia
com sua vizinhança ou seja ele interagecom sua vizinhança, ou seja, ele interage
com o meio ambiente a sua volta.
Isso pode ocorrer através de transferênciap
de calor ou realização de trabalho.
1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica1 Lei da Termodinâmica1 Lei da Termodinâmica
A energia interna de um sistema pode ser
entendida como a soma da energia cinética de
todas as partículas que constituem o sistema
somada com a sua energia potencial total, devido
à interação entre elas. A energia interna será
representada pela letra U.
U = E + EU Ec + Ep 
U = (mv2 )/2 + mgh
1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica1 Lei da Termodinâmica1 Lei da Termodinâmica
O estado termodinâmico de um fluido
h ê (lí id á ) é d i lhomogêneo (líquido ou gás) é descrito pela
sua pressão (P), volume (V) e temperatura (T),
d l fi i t i t d t i dsendo que ele fica inteiramente determinado
por um par destas variáveis, que pode ser
(PV) t t t fi(PV) e neste caso a temperatura fica
determinada, ou (PT) ou (VT).
1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica1 Lei da Termodinâmica1 Lei da Termodinâmica
Quando fornecemos a um sistema certa quantidade deQuando fornecemos a um sistema certa quantidade de
energia Q, esta energia pode ser usada de duas maneiras:
1 U t d i d d i t1. Uma parte da energia pode ser usada para o sistema
realizar um trabalho (W), expandindo-se ou contraindo-se,
ou também pode acontecer de o sistema não alterar seu
volume (W = 0);volume (W = 0);
2. A outra parte pode ser absorvida pelo sistema, virando
energia interna, ou seja, essa outra parte de energia é
igual à variação de energia (∆U) do sistema. Se a variação
de energia for zero (∆U = 0) o sistema utilizou toda a
i f d t b lhenergia em forma de trabalho.
∆U= Q – W (Eq. I)Q ( q )
1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica
Assim temos enunciada a Primeira Lei daAssim temos enunciada a Primeira Lei da
Termodinâmica: A variação de energia
interna ∆U de um sistema é igual a diferençainterna ∆U de um sistema é igual a diferença
entre o calor Q trocado com o meio externo
e o trabalho W por ele realizado durantee o trabalho W por ele realizado durante
uma transformação.
1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica1 Lei da Termodinâmica1 Lei da Termodinâmica
Esta lei enuncia que a energia total transferida para umEsta lei enuncia que a energia total transferida para um
sistema é igual à variação da sua energia interna.
A expressão matemática que traduz esta lei para um
sistema não-isolado é:sistema não-isolado é:
∆U = Q – W
Q........... Representa troca de calor
W........... Realização de trabalho
1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica1 Lei da Termodinâmica1 Lei da Termodinâmica
Onde Q e W são, respectivamente, o calor e o
trabalho trocados entre o sistema e o meio.
Exemplo:p
Ao receber uma quantidade de calor Q=50J, um gásq , g
realiza um trabalho igual a 12J, sabendo que a
Energia interna do sistema antes de receber calor era
U 100J l á i ó bi ?U=100J, qual será esta energia após o recebimento?
1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica1 Lei da Termodinâmica1 Lei da Termodinâmica
¾ Quantidade de calor trocada com o meio:
Q>0 O sistema recebe calor;
Q<0 O sistema perde calorQ<0 O sistema perde calor.
¾ Variação da energia interna do gás:¾ Variação da energia interna do gás:
∆U > 0 A energia interna aumenta, portanto, sua temperatura aumenta;
∆U 0 A i i t di i i t t t t di i i∆U < 0 A energia interna diminui, portanto, sua temperatura diminui.
¾ Energia que o gás troca com o meio sob a forma de trabalho:¾ Energia que o gás troca com o meio sob a forma de trabalho:
W > 0 O gás fornece energia ao meio, portanto, o volume aumenta;
W < 0 O gás recebe energia do meio, portanto, o volume diminui.
1ª Lei da Termodinâmica1ª Lei da Termodinâmica1 Lei da Termodinâmica1 Lei da Termodinâmica
¾Trabalho Adiabático¾Trabalho Adiabático
Vamos considerar um gás em equilíbrio
termodinâmico num recipiente de paredes
adiabáticas com um pistão móvel (Figura 1). Esse
gás é descrito pela sua pressão inicial (Pi) e seu
volume inicial (V ) Quando é realizado um trabalhovolume inicial (Vi). Quando é realizado um trabalho
sobre o sistema, que pode ser através da colocação
de uma massa m sobre o pistão, o sistema tendep ,
para uma nova posição final de equilíbrio com Pf e
Vf.
Considerações RelevantesConsiderações RelevantesConsiderações RelevantesConsiderações Relevantes
¾ É importante lembrar que as leis da termodinâmica¾ É importante lembrar que as leis da termodinâmica
podem ser aplicadas apenas nas situações de
equilíbrio termodinâmico.equilíbrio termodinâmico.
¾ Portanto os parâmetros do estado final podem ser¾ Portanto, os parâmetros do estado final podem ser
considerados apenas após este estado ter atingido o
equilíbrio.
¾ Ilustração de uma compressão adiabática de um gásç p g
através da colocação de uma massa m sobre um
pistão móvel.
Trabalho AdiabáticoTrabalho AdiabáticoTrabalho AdiabáticoTrabalho Adiabático
¾ Na nova configuração de equilíbrio (Pf, Vf),
percebemos que o volume foi reduzido e com isso a
pressão interna deve ter aumentado Diz se quepressão interna deve ter aumentado. Diz-se que
neste processo foi realizado um trabalho adiabático
sobre o sistema, pois não houve troca de calor.sobre o sistema, pois não houve troca de calor.
¾ Esse trabalho por sua vez, produz um aumento da¾ Esse trabalho por sua vez, produz um aumento da
energia interna do sistema, que, pelo fato das
paredes não permitirem fuga de calor, reflete num
aumento de temperatura do gás.
Trabalho AdiabáticoTrabalho AdiabáticoTrabalho AdiabáticoTrabalho Adiabático
¾ Da mesma forma se agora a massa m for removida¾ Da mesma forma, se agora a massa m for removida,
o gás iria expandir-se até uma nova posição de
equilíbrio, realizando trabalho sobre o pistão eequilíbrio, realizando trabalho sobre o pistão e
resultando no seu movimento. Neste caso, diz-se
que o sistema realizou trabalho, causando uma
diminuição da energia interna do gás.
¾ A partir destas considerações podemos definir:
∆U = - W i →f (Eq.II)
Trabalho AdiabáticoTrabalho AdiabáticoTrabalho AdiabáticoTrabalhoAdiabático
Conclusão:
Em um sistema termicamente fechado, a variação da
energia interna ∆U é igual ao trabalho realizado W i→f
d t d i i i l t d fi ldo estado inicial ao estado final.
O sinal negativo aparece por definição histórica doO sinal negativo aparece por definição histórica do
estudo de máquinas térmicas onde padronizou-se que
o trabalho é positivo, W > 0, quando é realizado pelop , , q p
sistema e negativo, W < 0, quando é realizado sobre
o sistema.
PROCESSOS REVERSÍVEISPROCESSOS REVERSÍVEISPROCESSOS REVERSÍVEISPROCESSOS REVERSÍVEIS
Para determinar o trabalho através da equação
abaixo:
(Eq. III)
É necessário conhecer a função P = P(V). Isso só é
possível se o processo para levar o sistema do
estado inicial ao final for reversível neste caso eleestado inicial ao final for reversível, neste caso, ele
deve necessariamente ocorrer de forma quase-
estática.estática.
PROCESSOS REVERSÍVEISPROCESSOS REVERSÍVEISPROCESSOS REVERSÍVEISPROCESSOS REVERSÍVEIS
Para um processo ser quase-estático, ele deve
obedecer duas condições:
- Ocorrer muito lentamente: Esta condição é
á i t ã i fi it i l dnecessária para ter uma sucessão infinitesimal de
estados de equilíbrio termodinâmico, com P e V bem
definidos;definidos;
O atrito ser desprezível: Esta condição é necessária- O atrito ser desprezível: Esta condição é necessária
para não haver dissipação de energia por atrito.
PROCESSOS IRREVERSÍVEISPROCESSOS IRREVERSÍVEISPROCESSOS IRREVERSÍVEISPROCESSOS IRREVERSÍVEIS
N i í i t d dNos processos irreversíveis apenas os estados de
equilíbrio inicial e final são conhecidos (como o
exemplo da Figura 1 onde o caminho i e f não éexemplo da Figura 1, onde o caminho i e f não é
conhecido), sabemos apenas que o trabalho
realizado equivale à variação da energia interna.g
PROCESSO ISOCÓRICOPROCESSO ISOCÓRICOPROCESSO ISOCÓRICOPROCESSO ISOCÓRICO
Neste processo o volume não varia, em geral isso
significa que o sistema não realizou trabalho com a
sua vizinhança ou seja W = 0 Logo pelasua vizinhança, ou seja, W i →f = 0. Logo pela
primeira lei:
∆U = Q (Eq IV)∆U = Q (Eq. IV)
Temos então que a variação da energia interna
depende apenas da transferência de calor sendo quedepende apenas da transferência de calor, sendo que
U aumenta (∆U > 0) quando é fornecido calor ao
sistema e U diminui (∆U < 0) quando é retirado calor
do sistema. Um exemplo disso é o aquecimento de
água em um recipiente cujo volume é mantido fixo.
PROCESSO ISOBÁRICOPROCESSO ISOBÁRICOPROCESSO ISOBÁRICOPROCESSO ISOBÁRICO
A pressão é mantida constante neste processo. Neste
caso, nenhuma das grandezas ∆U, Q e W i →f é nula.
Entretanto o cálculo do trabalho é simples pois aEntretanto, o cálculo do trabalho é simples, pois a
pressão sai da integral na equação:
(Eq.III)
Resultando na relação: W i→f = P (Vf – Vi) (Eq.V)
PROCESSO ISOTÉRMICOPROCESSO ISOTÉRMICOPROCESSO ISOTÉRMICOPROCESSO ISOTÉRMICO
Neste processo a temperatura é que permanece
constante. Para isso, é necessário que a
transferência de energia ocorra muito lentamentetransferência de energia ocorra muito lentamente,
permitindo que o sistema permaneça em equilíbrio
térmico.térmico.
Num processo isotérmico ∆U = 0 logo Q = W i fNum processo isotérmico ∆U 0, logo Q W i→f .
Ou seja, qualquer energia que entra no sistema em
forma de calor, sai novamente em virtude do trabalhoforma de calor, sai novamente em virtude do trabalho
realizado por ele.
Na próxima aula veremos:Na próxima aula veremos:
y 2ª Lei da Termodinâmica
y Ciclo de Carnot
y Ciclos de Refrigeraçãoy Ciclos de Refrigeração
EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEMEXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM
E d Li d E í iEntrega da Lista de Exercícios.