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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
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