Calor e primeira Lei 2017.1

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Calor e Primeira Lei 
da Termodinâmica
1
O estudo das transformações de energia
envolvendo calor, trabalho mecânico e outros tipos
de energia, e de como essas transformações se
relacionam com as propriedades da matéria.
▪ Temperatura;
▪ A Lei Zero da Termodinâmica;
▪ Escalas de Temperatura;
▪ Termômetro de gás a volume constante;
▪ Dilatação Térmica;
▪ Calor específico e calor de transformação;
▪ Calor e Trabalho
▪ Primeira Lei da Termodinâmica
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3
4
5
Certas propriedades dos corpos sofrem mudanças consideráveis
quando eles são aquecidos ou resfriados. Alguns exemplos são: Com
o aquecimento, um liquido aumenta de volume, uma barra de metal
fica um mais comprida, a resistência elétrica de um fio aumenta e a
pressão de um gás confinado aumenta.
6
A temperatura também está relacionada à
energia cinética das moléculas de um
material. Entretanto, essa relação é bastante
complexa, de início iremos desenvolver uma
definição macroscópica de temperatura.
7
Como saber se um corpo está quente ou frio?
Como medir a temperatura?
Quando não há mais
variação de temperatura,
dizemos que o sistema
atingiu o equilíbrio
térmico.
8
9
Se dois corpos A e B estão
separadamente em equilíbrio
térmico com um terceiro corpo T, A
e B estão em equilíbrio térmico
entre si.
A lei zero diz: ‘Todo corpo possui
uma propriedade chamada
Temperatura. Quando dois corpos
estão em equilíbrio térmico, suas
temperaturas são iguais”.
10
Ralph Howard Fowler, físico e astrônomo,
em 1931, foi o primeiro a formular a lei zero
da termodinâmica.
A lei zero foi formulada muito depois que a
primeira e segunda lei da termodinâmica.
Mas como o conceito de temperatura é
fundamental para essas duas leis, a lei que
estabelece a temperatura como um conceito
válido deve ter uma numeração menor; por
isso o zero.
(1889- 1944)
Ralph Howard Fowler
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São um conjunto de valores numéricos em que cada um está associado a uma
temperatura. As temperaturas são estabelecidas a partir de dois pontos fixos: a fusão
do gelo e a ebulição da água ao nível do mar.
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Criada em 1742 pelo astrônomo e físico sueco Anders Celsius (1701 –
1744), é atualmente adotada na maioria dos países.
13
Criada em 1714 pelo físico
alemão Daniel Gabriel
Fahrenheit (1686 – 1736), é a
escala mais utilizada nos
países de colonização
inglesa.
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T
p
3
3
TT
C
p p
 
15
16
17
321
aVolumétric Dilatação 
Espacial Dilatação 
Linear Dilatação 
0
0
0








TVV
TAA
TLL
18
19
Problema: Um caminhão tanque foi carregado em Porto Alegre com 
30000 L de óleo, onde a temperatura estava 20ºC, viajou todo o país 
até chegar em Angicos onde a temperatura estava 40 ºC. Quantos 
litros a mais foi descarregado? O coeficiente de dilatação volumétrica 
de óleo é 
.
R: 570 L
HTTP://WWW.BRASILESCOLA.COM/FISICA/ABASTECENDO-SEU-CARRO.HTM
Termicamente, os líquidos se comportam como os sólidos, sofrendo uma dilatação volumétrica 
quando submetidos a uma variação de temperatura. A dilatação aumenta o seu volume, mas 
mantém sua massa constante, então, 10 kg de água possui diferentes volumes a 10 °C e 30 °C.
Usando como exemplo a gasolina, que possui um coeficiente de dilatação alto se comparado a 
outras substâncias (γ = 1,2 x 10-3 °C-1), onde você paga pelo volume abastecido e não pela 
massa de combustível, é mais vantajoso abastecer em um horário em que essa massa de 
gasolina ocupa o menor volume possível. Mas quando isso acontece?
A gasolina quanto mais fria, maior sua densidade (relação entre massa e volume), então, é 
melhor abastecer nessa situação. Como o processo de absorção de calor não é algo instantâneo, 
o combustível estará mais frio no início da manhã, pois passou a noite toda perdendo calor, 
enquanto no fim da noite, estará mais quente.
O melhor horário para abastecer o seu veículo, então, é no início da manhã, pois o combustível 
no tanque do posto estará mais frio. Como exemplo, um carro abastecido com 50 litros de 
gasolina a 20 °C, estacionado no sol durante todo o dia, no fim do dia a uma temperatura de 35 
°C, terá o volume de gasolina aumentado em 0,9 litros.
Mas tome cuidado, não vá encher muito o tanque do seu carro, pois está correndo o risco do 
combustível transbordar.
20Use os dados do problema anterior para a gasolina
21
▪ Calor é a energia térmica em trânsito de um corpo para outro 
ou de uma parte para outra de um mesmo corpo, trânsito esse 
provocado por uma diferença de temperaturas.
22
Antes dos cientistas perceberem que calor é energia
transferida, calor era medido em termos da habilidade de
aumentar a temperatura da água:
▪ 1 cal = calor necessário para aumentar 1g de água de 14,5 0C
para 15,5 0C
Em 1948, a comunidade científica decidiu que, uma vez 
que o calor (como o trabalho) é energia transferida, a unidade 
de calor do SI deveria ser a mesma da energia, ou seja, o joule.
▪ 1 cal = 3,968 x 10-3Btu = 4,1868 Joule
23
Obs: Além da unidade caloria, um dos múltiplos 
mais usados é a quilocaloria (kcal). 
1 kcal = 1000 cal
24
A capacidade térmica, C (J/K), é uma expressão de origem histórica, que pode
induzir a erros de interpretação. Os corpos não tem uma capacidade
determinada de armazenar ou absorver calor. Um corpo absorve calor
enquanto ΔT for diferente de zero. É claro que o corpo pode fundir ou
evaporar nesse processo, mas isso é outra história
Mármore
Cobre
Ouro, Fero,
Etc...
𝑄 = 𝐶 ∆𝑇 = 𝑐 𝑚 ∆𝑇
A capacidade térmica (C) de um corpo indica a quantidade de calor 
que ele precisa receber ou ceder para que sua temperatura varie uma 
unidade.
Unidade usual: cal/ºC
25
Calor específico:











ra temperatude variação
específicoCalor 
C
T
Massam
c
alorQ
Sem mudança de fase
O calor específico (c) indica a quantidade de calor que cada unidade 
de massa do corpo precisa receber ou ceder para que sua temperatura 
varie uma unidade.
𝑐 =
𝑄
𝑚 .∆𝑇
Unidade usual: cal/g ºC
Note que o calor especifico não depende da massa do corpo, pois é 
uma característica da substância e não do corpo.
26
Absorção de calor pelos corpos 
sólidos e líquidos
Quando a quantidade de uma substância é
expressa em mols, o calor específico deve ser
expresso na forma de quantidade de calor por
mol (e não por unidade de massa); nesse caso,
é chamado de calor específico molar.
27
28
 Calor é a energia
transferida entre um
sistema e o ambiente
devido à diferença de
temperatura entre eles.
 O calor é negativo se a
energia é transferida do
sistema ao ambiente.
 O calor é positivo se a
energia é transferida do
ambiente ao sistema.
 Energia também pode ser
transferida entre o sistema e
o ambiente como trabalho
devido a uma força agindo
sobre o sistema!
T <T
T = T
T > T
Q=0
Q < 0
Q > 0
▪ (a) Que quantidade de calor deve 
absorver uma amostra de 720g de 
gelo para ir de -10ºC até 0ºC?
▪ R: 15,98 kJ
▪ (b) Que quantidade de calor deve 
absorver uma amostra de 720g de 
água para ir de 0ºC até 15 º C? 
▪ R: 45,25 kJ
29
LmQ 
30
Calor é a energia transferida entre um sistema e o ambiente
devido à diferença de temperatura entre eles.
Calor, no entanto, também pode ser absorvido sem aumento
de temperatura do sistema. A energia térmica absorvida é
utilizada para quebrar ligações químicas e provocar
mudanças de fases
Calor de
transformação:
Calor latente (fusão ou vaporização)





LatenteCalor 
C
L
alorQTABELA DE CALORES DE 
TRANSFORMAÇÃO
31
É importante destacar que a quantidade de calor que cada unidade de massa
de uma substância precisa receber para sofrer alteração em sua fase de
agregação, mudando seu estado, é igual à que precisa ceder para sofrer a
transformação inversa, à mesma temperatura.
32
kJkg
kg
kJ
mLQ V 5,1665,0333
:gelo de g 500derreter 
para ionecessesárCalor 
 kJkg
kg
kJ
mLQ V 5,1665,0333
:C0º a água de g 500congelar 
para ionecessesárCalor 

Retirar 166,5 kJ de calor Adicionar 166,5 kJ de calor
▪ Que quantidade de calor deve absorver uma amostra de gelo 
de massa 720 g a -10ºC para passar ao estado líquido a 15ºC?
▪ Q1=15,98kJ Q3= 45,25kJ
▪ Q2=?
▪ Q2=Lm=(333kJ/kg)0,720kg
▪ Q2=239,8 kJ
▪ QT=Q1+Q2+Q3
▪ QT=300 kJ
33
34
http://www.delsea.k12.nj.us/Academic/Classes/HighSchool/Science/Physics/FirstYear/notes/unit05/3.stm
35
36
Pág 194
R: 19,6ºC
37
38
Num calorímetro cheio de água, é inserido um conjunto de
paletas presas a um eixo. Este é colocado em rotação pela queda
de um par de pesos. O atrito das paletas aquece a água, cuja
variação de temperatura, determinada por um termômetro,
corresponde a um certo número de calorias. O trabalho mecânico
equivalente é medido pela altura da queda dos pesos. Constatou
que eram necessários aproximadamente 4,184 J para elevar de
1º C a temperatura de 1 g de água
O EQUIVALENTE MECÂNICO DO CALOR
39
Pás em movimento aumentam a
temperatura da água
Versão idealizada da
experiência de Joule:
O trabalho das pás sobre a água
eleva a temperatura dessa.
Foi possível determinar que
fluxo de calor, como o trabalho,
é uma forma de transferência de
energia.
WQ 
40
As pás do aparelho ao lado são acionadas 
por uma massa m de 0,50 kg, caindo com 
velocidade constante. A massa da água 
termicamente isolada é de 0,250 kg. Qual é 
o aumento da temperatura da água se a massa
pendurada cai 2,0 m ?
ymgW 
Q mc T
Q W
  
 
K
Kkg
Jkg
msmkg
cm
ymg
T
OHOH
0095,0
)
.
4180)(25,0(
)0,2)(/10)(5,0( 2
22




m
Kkg
Jc OH .
4180
2

41
Um sistema termodinâmico é qualquer
coleção de objetos que é conveniente
encarar como uma unidade, e que tem o
potencial de trocar energia com o
ambiente.
42
Estado inicial: 
𝑷𝒊, 𝑽𝒊, 𝑻𝒊.
Estado final:
𝑷𝒇, 𝑽𝒇, 𝑻𝒇.
N (nº de mols)
não muda
43
Durante este 
processo:
➢ O sistema pode 
receber calor do 
reservatório;
➢ Ceder calor;
➢ Realizar trabalho;
➢ Sofrer trabalho;
44
Calculo do Trabalho
A
p
Se o volume aumenta: W > 0
Se o volume diminui: W < 0
dsdV
𝑑𝑊 = Ԧ𝐹. 𝑑 Ԧ𝑠
𝑑𝑊 = 𝑝. 𝑑𝑉
𝑊 = න
𝑉𝑖
𝑉𝑓
𝑝. 𝑑𝑉
45
Se o volume aumenta: W > 0
Se o volume diminui: W < 0
Trabalho Realizado Pelo Gás
46
Trabalho Realizado Pelo Gás – Processo isotérmico
http://www.ic.sunysb.edu/Class/phy141md/doku.php?id=phy141:lectures:3132
47
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Diagrama P x V
49
50
P
re
ss
ã
o
Volume
pA
pB
VA VB
A
B
BAW 
0BAW
P
re
ss
ã
o
Volume
pA
pB
VA VB
A
B
ABW 
0ABW
51
P
re
ss
ã
o
Volume
pA
pB
VA VB
A
B
BAW 
ABBAABA WWW  
P
re
ss
ã
o
Volume
pA
pB
VA VB
A
B
ABW 
ABAW 
 Positivo0
52
P
re
ss
ã
o
Volume
pA
pB
VA VB
A
B
BAW 
ABBAABA WWW  
P
re
ss
ã
o
Volume
pA
pB
VA VB
A
B
ABW 
ABAW 
 Negativo0
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54
Um gás em uma câmara fechada passa pelo ciclo
mostrado no diagrama p-V da figura. A escala do eixo
horizontal é definida por 𝑉𝑠 = 4,0 𝑚³. Calcule o trabalho
realizado pelo gás durante o ciclo.
W= - 30 J
************************************************
********************************************
55
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Ela depende apenas dos estados inicial e final, e
não depende de maneira alguma da forma como
o sistema passou de um estado para o outro.
Esta propriedade sugere que a grandeza Q-W 
representa a variação de uma propriedade 
intrínsica do sistema.
O que é energia interna?
Uma tentativa de definir energia Interna é
simplesmente dizer que ela é a soma das
energias cinéticas de todas as partículas
constituintes acrescida da soma de todas as
energias potenciais decorrentes das interações
entre as partículas do sistema.
▪ Como o próprio nome diz é a energia do sistema;
▪ Depende da Temperatura;
▪ Ou seja, é a energia do gás devido ao movimento de seus átomos 
ou moléculas;
▪ Energia cinética dos átomos ou moléculas de um gás.
▪ É uma função de estado de um gás;
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1ª Lei da Termodinâmica
Expressão matemática 
da 1ª Lei da 
termodinâmica
Se o sistema sofre 
apenas uma variação 
infinitesimal 
Para todo sistema termodinâmico, existe uma função característica,
denominada energia interna. A variação dessa energia interna entre dois
estados quaisquer pode ser determinada pela diferença entre a quantidade
de calor e o trabalho trocado com o meio externo.
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Exemplo: O gás recebe de uma fonte térmica uma quantidade de calor igual
a 1000 cal. Essa energia, além de produzir um aquecimento no gás, provoca
ainda sua expansão, com consequente realização de trabalho equivalente a
600 cal.
60
E neste caso?
61
A energia interna 𝐸𝑖𝑛𝑡 de um sistema tende a aumentar , se acrescermos 
energia na forma de calor Q, 
e a diminuir, se removermos energia na forma de trabalho W 
realizado pelo sistema. 
WQE  int
+
dWdQdE int
62
0int dE
Aumenta a temperatura do 
sistema
Diminui a temperatura do sistema
Quando 
muda de 
volume
dW
diferente de 
zero 0int dE
WQE  int
63
P
re
ss
ã
o
Volume
pA
pB
VA VB
A
B
BAW 
ABAW 
WQEEE if  int,int,int
TESTE
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Eint: E1= E2= E3= E4 A grandeza Q-W é a mesma para todos os 
processos. Ela depende apenas do estado final e 
inicial. (EMPÍRICA).
W : W1, W2, W3, W4
Q : Q1, Q2, Q3, Q4
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Um gás em uma câmara fechada passa pelo 
ciclo mostrado no diagrama p-V da figura. A 
escala do eixo horizontal é definida por Vs=4,0 
m³. Calcule a energia líquida adicionada ao 
sistema em forma de calor durante um ciclo 
completo.
W= - 30 J
WQEEE if  int,int,int
0intint,int,  EEE if
WQ 
66
P
V
P
V
P
QUATRO CASOS ESPECIAIS
67
68
169 kJ
2256 kJ
WQEEE if  int,int,int
kJkJkJ 20871691256 
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Problema 50 página 210
O gás dentro de uma câmara passa pelo ciclo mostrado na figura. 
Determine o calor resultante adicionado ao gás durante o processo 
CA se QAB = 20 J, nenhum calor é transferido durante o processo BC 
e o trabalho líquido realizado no ciclo é 15 J.
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adiabático
JQBC 0
70
(R. 6 cal)
(R. -43 cal)
(R. 40 cal)
(R. 18 cal)
processo) cada (Em 
Lei) (1ªint,int,int WQEEE if 
MECANISMO DE TRANSFERÊNCIA DE 
CALOR
71
(Pcond:Taxa de condução)
L
72
R alto mau condutor  Bom isolante térmico
73
LISTA DE EXERCÍCIOS CAP 18 
– SEGUNDA AVALIAÇÃO
▪ 01-30,32-35,38,39,43-50,51-59
74
MAIS UM PONTO IMPORTANTE
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Pela lei zero da termodinâmica:
Energia também pode ser 
transferida entre o 
sistema e o ambiente 
como trabalho devido a 
uma força agindo sobre o 
sistema!
Veja o histograma da energia contida no gás
ao se aplicar uma força externa
http://phet.colorado.edu/en/simulation/gas-properties