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Física – Termodinâmica
1ª Lei da Termodinâmica
Prof. Édy Carlos Monteiro
Objetivos:
Conhecer, compreender e aplicar os fundamentos da termometria, da termologia e da termodinâmica.
Calor e Trabalho
Calor Q é energia em trânsito de um corpo para outro devido à diferença de temperatura entre eles.
Trabalho W é a energia que é transferida de um sistema para outro de tal modo que a diferença de temperaturas não esteja envolvida.
As grandezas Q e W não são características do estado de equilíbrio do sistema, mas sim dos processos termodinâmicos pelos quais o sistema passa quando vai de um estado de equilíbrio para outro.
Q = calor transferido para o sistema
W = trabalho realizado pelo sistema
De modo geral, nós separamos uma certa quantidade de material que desejamos analisar.
A esse material chamamos de sistema, que pode estar isolado (ou não) da sua vizinhança.
A interação com a vizinhança pode ser de vários tipos: trocando calor, trocando trabalho, ou ambos os casos simultaneamente.
Para exemplificar, calculemos o trabalho feito por um sistema formado por um gás isolado no interior de um pistão, cujo êmbolo pode movimentar-se livremente sem atrito. Considere que inicialmente o êmbolo estava preso e continha um volume Vi, após ser solto ele moveu-se e o volume passou a ser Vf, quando então ele tornou a ser preso. 
O êmbolo subiu como 
consequência da pressão 
p exercida pelo gás. O 
trabalho elementar feito 
por esse sistema é 
definido como:
Trabalho realizado por um gás:
Outra forma de se executar trabalho adiabático sobre um sistema. Volume variável.
F = pA
dW = pAdx
Se o volume aumenta: W > 0
Se o volume diminui: W < 0
link
E considerando a definição de integral, temos que esse trabalho será a área abaixo da curva que vai do estado inicial até o estado final.
O trabalho total executado pelo sistema entre os estados iniciais e final, é definido como:
Convenciona-se que o Calor fornecido ao sistema é positivo e calor cedido pelo sistema ao meio é negativo. A figura abaixo resume a convenção de sinal para trabalho e calor:
Convenção de sinal para o Calor:
Calor e Trabalho
Um gás está confinado em um cilindro com um pistão móvel. Pode-se adicionar ou retirar Calor Q do gás regulando-se a temperatura T do reservatório térmico ajustável. O gás pode realizar trabalho W elevando-se ou abaixando-se o pistão.
 
 ∫
Vi
W = 
p dV 
Vf
Granalha
Isolamento
Criação: CETEC-DI
i
W > 0
Volume
Pressão
0
i
W > 0
Volume
Pressão
0
a
Calor e Trabalho
(a)
(b)
f
f
i
W > 0
Volume
Pressão
0
Volume
Pressão
0
d
Calor e Trabalho
(c)
(d)
g
h
i
c
f
f
i
W < 0
Volume
Pressão
0
Calor e Trabalho
(e)
i = f
W res > 0
Volume
Pressão
0
(f)
f
Primeira lei da termodinâmica
∆ E int = E int - E int
f
i
∆ E int = Q - W
A energia interna (Eint) de um sistema tende a aumentar se for acrescentada energia sob a forma de calor Q e tende a diminuir se for perdida energia na forma de trabalho W realizada pelo sistema.
Primeira lei da termodinâmica
Expansão Adiabática
Isolamento
Granalha
Uma expansão adiabática pode ser feita removendo-se lentamente bolinhas de chumbo da parte mais alta do pistão. Adicionando chumbo reverte-se o processo em qualquer estágio.
Criação: CETEC-DI
Primeira lei da termodinâmica
Expansão Livre
O estágio inicial de um processo de expansão livre. Depois que a válvula é aberta, o gás preenche as duas câmaras e finalmente alcança um estado de equilíbrio.
Primeira lei da termodinâmica
A lei: ∆Eint= Q - W
Processo
Restrição
Consequência
Adiabático
Q = 0
∆ Eint= -W
A volume constante
W = 0
∆ Eint= Q
Ciclo fechado
∆Eint= 0
Q = W
Expansão Livre
Q = W = 0
∆Eint= 0
Quatro casos especiais.
1) Uma amostra de gás se expande de 1m³ para 4m³ enquanto a sua pressão diminui de 40Pa para 10Pa. Quanto trabalho é realizado pelo gás se a sua pressão varia com o volume passando por cada uma das três trajetórias mostradas no diagrama P-V da figura ao lado?
Onde
P = -10V + 50
2) Um pequeno aquecedor elétrico de imersão é usado para aquecer 100g de água para uma xícara de café instantâneo. O aquecedor está rotulado com
“200Watts”, o que significa que ele converte energia
elétrica em energia térmica com essa taxa. Calcule o
tempo necessário para levar toda essa água de 23°C
para 100°C, ignorando quaisquer perdas.