Exercícios sobre termodinâmica

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Curso: Farmácia 
Ano/semestre: 2017.02 
 
 
 
	Disciplina: Físico Química Aplicada a 
Farmácia 
	
	
	 
Código: SDE0027 
 
 
LISTA DE EXERCÍCIOS – 1º LEI DA TERMODINÂMICA 
 
CONCEITOS 
 É a parte da Físico-Química que estuda as transformações entre calor e trabalho. 
 Calor e trabalho estão relacionados entre si por apresentarem em comum a mesma modalidade de energia. 
 Calor: energia em trânsito de um corpo para outro em virtude da diferença de temperatura (∆t) existente entre eles. 
 Trabalho: energia em trânsito entre dois corpos devido à ação de uma força. 
 
TRABALHO NUMA TRANSFORMAÇÃO 
Considerando um gás contido num cilindro provido de êmbolo. Ao se expandir, o gás exerce uma força no êmbolo, que se desloca no sentido da força. 
O trabalho dessa força é dado por: 
 	 
τ = p∙∆V ou τ = p(V2 – V1) 
 
 
 
Numa expansão, o gás realiza um trabalho positivo sobre o meio exterior. 
Numa compressão, o deslocamento do êmbolo tem sentido oposto ao da força que o gás exerce sobre o êmbolo. 
Na compressão, o meio externo realiza um trabalho negativo sobre o gás. 
	∆V > 0 → τ > 0: o gás realiza trabalho sobre o meio. 
∆V < 0 → τ < 0: o meio realiza trabalho sobre o gás. 
∆V = 0 → τ = 0: o sistema não troca trabalho sobre. 
Desta forma: 
 
 
 
Energia Interna 
A energia interna de um gás perfeito monoatômico é a soma das energias cinéticas médias de todas as suas moléculas. 
Sendo assim, temos: 
Energia cinética molecular inicial: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Energia cinética molecular final: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Essa variação ∆E corresponde à variação da energia interna ∆U do gás, suposto ideal e monoatômico: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A energia interna de um gás perfeito está diretamente relacionada à sua temperatura. 
Quando um sistema (gás) recebe uma determinada quantidade de Q de calor, sofre um aumento ∆U de sua energia interna e, consequentemente, um aumento ∆t de temperatura. 
Assim: 
Se ∆T > 0 → ∆U > 0: energia interna aumenta. 
Se ∆T < 0 → ∆U < 0: energia interna diminui. 
Se ∆T = 0 → ∆U = 0: energia interna não varia. 
 
 
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA 
 
Termodinâmica estabelece uma equivalência entre o trabalho e o calor trocados entre um sistema e seu meio externo. 
 
Consideremos um sistema recebendo certa quantidade de calor Q, por exemplo, de 100 J. Suponhamos que, desse calor recebido, 70 J sejam usados para realizar um trabalho (τ). Para onde foram os 30 restantes? 
Esses 30 J ficaram armazenados pelo sistema, aumentando sua energia interna de 30 J. 
Portanto, temos: 
Q = τ + ∆U ou ∆U = Q – τ 
 
Essa expressão representa analiticamente o primeiro princípio da Termodinâmica, cujo enunciado pode ser: 
 
A variação da energia interna de um sistema é igual à diferença entre o calor e o trabalho trocados pelo sistema com o meio exterior. 
 
 
 
 
TRANSFORMAÇÕES GASOSAS 
Isotérmica (T = constante) 
∆U = 0 → ∆U = Q – τ → Q = τ 
 
O calor trocado pelo gás com o meio exterior é igual ao trabalho realizado no mesmo processo 
 
Isobárica ( P = cosntante) 
∆U > 0 e τ > 0 → ∆U = Q – τ → Q = ∆U + τ → Q > τ 
 
Numa expansão isobárica, a quantidade de calor recebida é maior que o trabalho realizado. 
 
Isocória (V = constante) τ = 0 → ∆U = Q – τ → ∆U = Q 
 
A variação da energia interna do gás é igual à quantidade de calor trocada com o meio externo. 
 
Adiabática (Não troca calor com o meio externo) 
Q = 0 → ∆U = Q – τ → ∆U = – τ 
 
A variação da energia interna é igual em módulo e de sinal contrário ao trabalho realizado na transformação. 
 
 
Cíclica (O estado final é igual ao estado inicial) 
∆U = 0 → ∆U = Q – τ → Q = τ 
 
O calor trocado pelo gás em ciclo é igual ao trabalho realizado no mesmo ciclo. 
 	 
EXERCÍCIOS 
1. (UFVJM – 2006) Uma bomba de encher pneus de bicicleta é acionada rapidamente, tendo a extremidade de saída do ar vedada. Consequentemente, o ar é comprimido, indo do estado 1 para o estado 2, conforme mostram as figuras a seguir. 
 
 
 
Nessas condições, é CORRETO afirmar que a transformação termodinâmica verificada na passagem do estado 1 para o estado 2 aproxima-se mais de uma 
 
isotérmica, porque a temperatura do ar não se altera. 
adiabática, porque praticamente não há troca de calor do ar com o meio exterior. 
isobárica, porque a pressão do ar não se altera. 
isométrica, porque o volume do ar se mantém. 
 
2. Tendo-se uma amostra de gás ideal em expansão isotérmica, é CORRETO afirmar que 
 
o trabalho realizado pelo gás é igual à variação de sua energia interna. 
o trabalho realizado pelo gás é igual ao calor absorvido pelo mesmo. 
o calor absorvido pelo gás é nulo. 
a energia cinética média das moléculas do gás aumenta. 
 
3. Uma certa amostra gasosa recebe 500 cal de calor trocado com o meio externo e realiza um trabalho igual a 200 cal. A variação de sua energia interna será igual a: 
 
300 cal. 
700 cal. 
2,5 cal. 
0,4 cal. 
 
Explique a convenção de sinais quando calculamos o trabalho realizado por um gás ou sobre um gás. 
 
Considerando-se um gás ideal, assinale a alternativa incorreta. 
 
O trabalho realizado em uma transformação isovolumétrica é nulo. 
O calor específico molar sob pressão constante é maior que o calor específico molar a volume constante. 
Em uma transformação adiabática, o calor trocado entre um sistema e sua vizinhança é nulo. 
Em um processo sob pressão constante, o produto da pressão P pelo volume V se mantém constante. 
 
6. Em um certo processo termodinâmico, o sistema não troca calor com a sua vizinhança. E CORRETO inferir que, nesse processo, necessariamente: 
 
a) a pressão no sistema aumenta. 
b) a temperatura do sistema e constante. 
c) o trabalho realizado pelo sistema e igual ao produto da sua pressão inicial pela variação de volume. 
d) o módulo da variação da energia interna do sistema e igual ao módulo do trabalho realizado por ele. 
 
7. Uma amostra de um gás perfeito passa do estado A para o estado B, sob pressão constante de 80 N/m2, absorvendo 2 × 103 Joules de calor. O volume V e a temperatura T dessa amostra estão representados no gráfico. 
 
Calcule o aumento da energia interna, durante a transformação. A) 200 J. 
500 J. 
300 J. 
400 J. 
 
8. Durante incêndios, uma grande preocupação dos bombeiros é com os botijões de gás, como os ilustrados ao lado. Recebendo uma quantidade calor para a qual não estão preparados, a consequência conhecida é que eles podem simplesmente explodir. E, neste caso, são capazes de grandes estragos. Veja a próxima figura que mostra, exatamente, o que Ideal, 
pode ocorrer em um acidente como este! Dentro dos botijões, o gás de cozinha – GLP 
– 	pode 	ter 	seu 	comportamento 	descrito 	como 	um 	chamado 	Gás 
aproximadamente. Escolha entre as opções abaixo aquela que descreve corretamente o tipo de transformação gasosa a que o gás, no interior do botijão, estará sujeito. Transformação esta que leva o botijão a explodir. A) Isotérmica. 
Isobárica. 
Isovolumétrica. 
Adiabática. 
 
9. Um gás ideal sofre uma transformação termodinâmica em que cede 200 J de calor ao ambiente. Na mesma transformação, o gás realiza 200 J de trabalho. Pode-se afirmar que a variação de energia interna do gás em tal transformação é igual a: A) −400 J. 
−200 J. 
0. 
200 J. E) 400 J.