Unidade de Aprendizado 4

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Primeiro Princípio da 
Termodinâmica - Parte
1
APRESENTAÇÃO
Olá!
A termodinâmica se fundamenta em quatro leis ou princípios: o primeiro, o segundo e o
terceiro princípios e a denominada Lei Zero ou Princípio Zero. Cada um deles se complementa,
configurando uma estrutura cogni�va sólida e coerente.
Nesta unidade de aprendizagem você vai conhecer as propriedades que se destacam na
abordagem do Primeiro Princípio: energia interna, energia ciné�ca, energia potencial, calor e
trabalho.
Bons estudos!
Ao final desta unidade você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 Relembrar o que é conservação da energia dentro de um sistema.
 Definir o que é calor e trabalho.
 Explicar as inter-relações entre calor e trabalho, dependendo das variáveis pressão e
temperatura.
DESAFIO
Tomemos como exemplo o jogo de sinuca. O jogador, provido de um taco, golpeia uma bola
que, por sua vez, se choca contra as outras. Simplifiquemos a situação de duas formas:
imaginemos que apenas foi contra outra bola e descartemos o efeito do atrito do pano da
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mesa. Se o jogador teve êxito na jogada ou não, isso é secundário, mas vamos imaginar que a
bola golpeada cai na caçapa.
Poderia explicitar as conversões entre energias cinética, potencial e térmica que
ocorreram nas diferentes etapas da jogadas, de modo a demonstrar o
cumprimento do Princípio da conservação da energia?
INFOGRÁFICO
O desenvolvimento do tema desta Unidade está representado na ilustração que se segue. Os
três elementos de destaque são: a energia interna (U), calor (q) e trabalho (w). O principal
aspecto que permeia o Primeiro Princípio é a conservação da energia. Em qualquer sistema,
não importa o processo, o fluxo de calor e o trabalho para o entorno ou desde o entorno têm
um valor determinado, que se manifesta unicamente durante o processo. Entretanto, a
transformação cíclica de energia interna (dU), uma propriedade de estado, será sempre nula,
sem importar em quantas etapas esse processo tenha sido realizado.
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CONTEÚDO DO LIVRO
Qualquer sistema deve obedecer às restrições impostas pelo primeiro princípio da
termodinâmica, o qual diz respeito à conservação da energia. A energia em um sistema pode-
se manifestar sob diferentes formas como calor e trabalho. Acompanhe um trecho da obra
Fundamentos de Físico-química, NETZ e GONZÁLEZ, base teórica desta Unidade de
Aprendizagem. Inicie sua leitura no tópico "O primeiro princípio da termodinâmica".
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DICA DO PROFESSOR
Na apresentação são abordados aspectos rela�vos ao Primeiro Princípio da Termodinâmica,
mais especificamente as propriedades energia interna, calor, trabalho e capacidade calorífica a
volume constante.
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EXERCÍCIOS
 
1) Um frasco de paredes rígidas, contendo massa equivalente a 2,0 mol de um gás ideal, é
aquecido em um forno micro-ondas mediante fornecimento do equivalente a 1000 cal.
Assim, a temperatura do gás aumenta de 20 para 45°C. Nessas condições, a dilatação térmica
do gás é zero. Pergunta-se: 
a) Qual foi a variação de energia (dU) sofrida pelo gás? 
b) Qual a quan�dade de trabalho exercido pelo sistema? 
c) Quanto vale a capacidade calorífica molar do gás (Cv)?
a) dU = 500 cal/mol; đw = 1000 cal; = 40,0 cal/mol K
b) dU = 500 cal/mol; đw = 1000 cal; ) do sistema a volume constante é uma propriedade
intensiva, logo đq = dU = n* dT e as unidades de = 20,0 cal/K
c) dU = 1000 cal/mol; đw = 1000 cal; = 20,0 cal/mol K
d) dU = 1000 cal/mol; đw = 0 cal; = 20,0 cal/mol K
e) dU = 500 cal/mol; đw = 0 cal; = 20,0 cal/K
 
2) O experimento de Joule consiste em colocar dois balões, um deles contendo gás e o outro
sem gás, submersos dentro de um tanque de água, cuja temperatura é equalizada mediante
agitação. Ambos os balões se comunicam por meio de uma válvula de passo. Com a abertura
dessa válvula, o gás do balão A difunde espontaneamente (trabalho de difusão) em direção
ao balão B até a�ngir o equilíbrio, e a esperada variação da temperatura é medida. Contudo,
essa variação da temperatura não ocorre. Qual é a explicação para esse fenômeno?
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a) dV = 0; đw =0, dn = 0; dU= đq, logo dT = 0
b) dV > 0; đw = 0, dn = 0; dU = đq, logo dT = 0
c) dV > 0; đw >0, dn = 0; dU = đq, logo dT = 0
d) dV > 0; đw >0, dn ≠ 0; dU = đq, logo dT = 0-
e) dV = 0; đw =0, dn ≠ 0; dU = đq, logo dT = 0
 
3) Considere o resfriamento de 30°C para 20°C de uma sala medindo 168 metros cúbicos. O
valor da capacidade calorífica molar ( ) do ar equivale a (5/2)R, e a pressão atmosférica é
de 1 atm. Calcule qual é a massa de ar do sistema, qual a variação de energia (dU), de calor
(đq) e de trabalho (đw).
a) n = 6985 mol; dU = 14,37 kJ; đq= dU; đw = 0?
b) n = 6984588 mol; dU = 14327 kJ; đq= dU; đw = 0?
c) n = 6985 mol; dU = -14327 kJ; -đq= -dU; đw = 0
d) n = 6985 mol; dU = 1452 kJ; đq= dU; đw = 0
e) n = 6985 mol; dU = 207,8 kJ; đq= dU; đw = 0
 
4) Uma massa de 3 mol de ar ( = 5/2R) expande livremente e em uma etapa só contra uma
pressão de 1 atm, observando-se uma diminuição de temperatura de 15°C no sistema.
Nessas condições o ar se comporta como um gás ideal (R= 0,08205 atm L mol-1K-1 = 8,4135 J
mol-1K-1 ). Quais são os valores calculados para dU, đq, đw e dV? Para isso, expresse
energia em Joule e volume em litros.
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a) = 0,21 J mol-1 K-1; dU = 9,2 J, đq = 9,2 J, đw = 0 J e dV = 0,09 L
b) =20,8 J/ mol-1K-1, dU= 935,4 J, đq= 935,4 J , đw= 0 J e dV =9,23 L
c) =20,8 J mol-1K-1, dU= 935,4 J, đq= 0 J , đw= 935,4 J e dV =9,23 L
d) =20,8 J mol-1K-1, dU= -935,4 J, đq= 0, đw= 935,4 J e dV = -9,23 L
e) =20,8 mol-1K-1, dU= -935,4 J, đq= 0, -đw= -935,4 J e dV =9,23 L
 
Na expansão isotérmica a 25°C de um mol de gás ideal, mediante abaixamento da pressão
de compressão de 5 atm para 1 atm, ocorre expansão do seu volume, assim como a
realização de trabalhosobre o entorno. Pergunta-se: Quais os valores calculados para cada
um dos volumes na etapa inicial e final? Qual foi a variação de volume? Qual o trabalho
realizado, considerando o processo em uma etapa só e como um processo de redução em
etapas infinitesimais da pressão? Qual foi a variação de energia interna, se a expansão
isotérmica de um gás ideal ocorre de forma espontânea e sem troca de calor?
a) V1 = 0,4 L; V2 = 2,1 L; dV = 1,6 L; w1 = -0,17 kJ; wmáx.= -0,33 kJ; dU = -0,33 kJ
b) V1 = 4,9 L; V2 = 24,5 L; dV = 19,6 L; w1 = 1,98 kJ; wmáx.= 3,99 kJ; dU = 3,99 kJ
c) V1 = 4,9 L; V2 = -24,5 L; dV = 19,6 L; w1 = 1,98 kJ; wmáx.= 3,99 kJ; dU = 3,99 kJ
d) V1 = 4,9 L; V2 = 24,5 L; dV = 19,6 L; -w1 = -1,98 kJ; -wmáx.= -3,99 kJ; dU = -3,99 kJ
e) Outras respostas.
NA PRÁTICA
James Presco� Joule, um fabricante de cerveja e brilhante cien�sta apaixonado pela
possibilidade de subs�tuir as máquinas a vapor por máquinas elétricas, foi quem lançou as
bases matemá�cas do Primeiro Princípio da Termodinâmica. Todo sistema possui uma
propriedade denominada energia interna. A variação de energia interna pode ser medida, com
precisão, em diversas transformações químicas e �sicas. Em sistemas biológicos complexos, a
realização de medidas exatas é mais di�cil e, até mesmo, pouco viável. Contudo, da mesma
forma que uma máquina a vapor em funcionamento possui a sua parcela de energia interna, o
nosso organismo e todo ser vivo também a possue. Logo, o primeiro princípio se aplica a
ambos por igual.
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SAIBA +
Para ampliar seu conhecimento a respeito desse assunto, veja abaixo a(s)
sugestão(ões) do professor:
TERMOLOGIA Termodinâmica primeira lei da termodinâmica.
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W. Castellan. Fundamentos de Físico-química. São Paulo: LTC. 1995.