Aula Energias e a Primeira Lei 2017 2 (1)

Prévia do material em texto

UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO UNIVERSITÁRIO NORTE DO ESPÍRITO SANTO
AULA –Energias e a Primeira Lei
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA
Energias e a Primeira Lei da Termodinâmica
 Objetivos da aula de hoje:
 Compreender as formas de Energia e o Princípio da
Conservação de Energia.
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA 3
Profa. Josedite Saraiva
Energia e a Primeira Lei da 
Termodinâmica
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA
 Termodinâmica – Estuda a temperatura, calor e a
troca de energia. É a ciência que está relacionada
com as transformações de energia.
 As Leis da termodinâmica descrevem os limites para estas 
transformações
 Temperatura – Está relacionada com a energia das 
moléculas de um corpo.
Energias e a Primeira Lei da Termodinâmica
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA
Energia
Uma definição única e simples de energia é uma tarefa complexa.
Portanto definimos energia como as diferentes formas em que ela existe em um
determinado fenômeno ou processo.
Energias e a Primeira Lei da Termodinâmica
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA
Energia
Em termos científico a energia se apresenta nas formas de Energia Cinética,
Potencial, Calor, Trabalho e outras formas.
 Energia de Cinética
Energia associada ao estado de movimento de um objeto. Quanto maior a
velocidade com que o objeto se move maior a energia cinética. Para um objeto
de massa m que se move com uma velocidade v.
Energias e a Primeira Lei da Termodinâmica
21
2
pE m v 
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA
 Energia de potencial de posição
Se um corpo de massa m é elevado de uma altura inicial z1 a uma altura final z2
por uma força direcionada para cima ao longo de uma distancia (z2-z1). Como o
peso é a força gravitacional sobre o corpo, a força mínima requerida sobre o
corpo é:
   2 1 2 1
onde g é a aceleração da gravidade local
Fazendo p
p
F m a F m g
E F z z z z h
E m g h
    
     
  Energias e a Primeira Lei da Termodinâmica
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA
Energias e a Primeira Lei da Termodinâmica
Δx mas, 
F
P= F=P A, A substituindo
A
P A P
W F dW F dx
dx dV
dW dx dW dV
    
   
     
Tem-se a atuação de uma força como forma de transferir
energia Ex: a transferência de energia proveniente da
combustão, as partes móveis dos motores dos veículos
realizam trabalho e o conjunto pode movimentar-se.
Trabalho - Energia de potencial de pressão:
É a energia transferida para um objeto ou de um objeto através de uma força
que age sobre o objeto,
2
1
dV
v
v
W P  
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA
Energias e a Primeira Lei da Termodinâmica
Energia Interna U- Energia que se processo entre os sistemas e as
vizinhanças na forma de calor e trabalho, indica o conteúdo energético de um
sistema.
De acordo com a primeira Lei da Termodinâmica a Energia Total de um sistema
se conserva.
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA
Energias e a Primeira Lei da Termodinâmica
∆𝐸 = ∆𝑈 = 𝑄+W
Variação da Energia Interna ∆U
Para um sistema fechado (massa constante) tem-se que a energia total do
sistema é a variação da energia interna, que esta relaciona aos ganhos e
perdas de energia na forma de calor Q e trabalho W.
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA
Energias e a Primeira Lei da Termodinâmica
Entalpia H- é a grandeza física que descreve o conteúdo energético de um
sistema aberto. Indica a quantidade de calor necessária para certos processos.
• Entalpia, H: é o calor transferido entre o sistema e a vizinhança realizado
sob pressão constante.
• Entalpia é uma função de estado.
Algumas situações do escopo da termodinâmica como uso de turbinas a vapor,
a energia interna U pode ser combinada com o produto da Pressão e do
Volume:  
H U PV
dH dU d PV
 
 
0 (processo exotérmico)
0 (processo endotérmico)
H
H
 
 
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA
A energia é conservada, a taxa de variação de energia no interior de um
volume de controle é igual ao transporte líquido de energia para dentro desse
volume, da Conservação da Energia.
Balanço Energético – Sistemas Abertos
Energias e a Primeira Lei da Termodinâmica
E: energia total do sistema;
Q: calor transferido para o sistema;
W: trabalho realizado sobre o sistema;
H: entalpia
EC: energia cinética
EP: energia potencial
Q+W = (H+Ec+Ep)
Considerando o estado estacionário que possua apenas uma entrada e uma
saída, no qual as variações de energia cinética e potencial são desprezíveis e
para os quais usualmente não existe produção nem consumo de trabalho:
Q = m H = mCP T 
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA
A aplicação do principio da conservação de energia conduz a seguinte
relação:
Balanço Energético – Sistemas Fechado
Energias e a Primeira Lei da Termodinâmica
entrando saindo VE E U mC T    
Q = mCV T
Quando um processo envolve apenas a
transferência de calor através das
fronteiras do sistema, o balanço de energia
mostrado, transforma-se em:
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA 14
“Embora a energia assuma várias formas, a quantidade de energia
total é constante, e quando energia em uma forma desaparece, ela
reaparece simultaneamente em outras formas.”
Sistema
Q
w
∆U
W<0 compressão/contração
W>0 expansão
Q < 0 perde calor
Q > 0 ganha calor
Trabalho W: energia em trânsito entre dois corpos devido à ação
de uma força.
Primeira Lei da Termodinâmica- Princípio da Conservação 
de Energia
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA 15
U=0 Logo Q W U    Q W 
APLICAÇÕES DA 1ª LEI:
 Transformação Isotérmica
 Transformação Isocórica/ Isovolumétrica
=Cte Logo V Q W U Q U    
 Transformação Adiabática
=0 Logo Q Q W U U W      
Primeira Lei da Termodinâmica - Processos
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA 16
OBSERVAÇÕES POSSÍVEIS:
 É possível retirar energia interna U de um sistema na forma de
calor Q,
 É possível converter completamente W em calor Q (ex. atrito) sem
haver qualquer modificação nas vizinhanças
 É impossível converter energia interna U completamente em
trabalho W sem que haja modificação nas vizinhanças
 Não é possível converter com facilidade e completamente o calor Q
em trabalho W
OBSERVAÇÕES IMPOSSÍVEIS:
Primeira Lei da Termodinâmica - Processos
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA 17
APLICAÇÃO
Um gás é comprimido por um agente externo, ao mesmo tempo que
recebe um calor de 400 J de uma chama. Sabendo-se que o trabalho do
agente externo foi 700 J.
a) Determine a variação de energia interna do gás.
b) A energia interna do sistema aumentou ou diminuiu?
Primeira Lei da Termodinâmica - Processos
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA 18
APLICAÇÃO
Ex Calcule a variação de energia interna
e a variação de entalpia se a temperatura
modificar de 20 °C para 450°C para cada
um dos seguintes abaixo, pressupondo
um gás ideal com calores específicos
constantes:
a) Ar
b) Nitrogênio
c) Hidrogênio
Primeira Lei da Termodinâmica - Processos
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA 19
 A variação líquida do volume
durante um ciclo é sempre
zero.
Primeira Lei da Termodinâmica - Processos
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA 20
 Um processo é chamado irreversível se o sistema e todas as partes
deste ambiente não pode ser exatamente restaurados para seus
respectivos estados iniciais após o processo ocorreu.
 Um processo é reversível se o sistema e o ambiente pode ser
devolvidoaos seus estados iniciais.
Primeira Lei da Termodinâmica - Processos
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA 21
Atrito
Troca de calor com diferença finita de temperatura
Mistura de 2 substâncias diferentes
Pergunta: Os processos reais (que ocorrem na natureza) 
de troca de calor são
REVERSÍVEIS ou IRREVERSÍVEIS?????
O processo de troca de calor pode ser reversível se for feito 
mediante diferença infinitesimal de T, o que exige tempo 
infinito ou área infinita.
Expansão não resistida
Quais as causas que tornam um processo irreversível?????
Processos Termodinâmicos
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA 22
 A transferência de calor através de uma diferença de
temperatura finita
 Expansão desenfreada de um gás ou líquido
 Reacção química espontânea mistura espontânea
 A fricção (deslizante e fluxo)
 O fluxo de corrente elétrica através de uma resistência
 Magnetização ou polarização com histerese
 deformação inelástica
 E muito mais
ClipArt courtesy of PowerPoint 2002
ClipArt courtesy of PowerPoint 2002
ClipArt courtesy of PowerPoint 2002
Processos Termodinâmicos
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA 23
Definição de um processo ideal Processo reversível
Aquele que tendo ocorrido, pode ser invertido de
sentido e retornar ao estado original, sem deixar
vestígios no sistema e na vizinhança.
A construção de uma máquina ideal
Processos Termodinâmicos
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA 24
1a Lei da 
Termodinâmica
A energia total do Universo, 
com ou sem transformações, 
permanece constante.
2a Lei da 
Termodinâmica
A disponibilidade de energia para 
realização de trabalho diminui 
após cada transformação
Leis da Termodinâmica
UNIDADE I Profª. Dra. JOSEDITE SARAIVA 25
Profª Josedite Saraiva
A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA