Aulas Primeira e Segunda Lei Term._FG_2014_01

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Primeira Lei da Termodinâmica 
 
 
Física Geral 
 
 
Profª.: Ana Mónica Rodrigues 
anarodrigues@unirio.br 
 
Já falamos na Mecânica em Conservação de energia, 
mas de que forma, a energia no Universo é 
Conservada? 
Porque nos alimentamos? 
Porque a locomotiva a vapor (crucial na 
revolução industrial) se desloca? 
Para onde vai e de onde vem toda essa energia? 
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Principais Conceitos 
transferência de energia envolvendo trabalho mecânico (w = 
F.d) e calor (condução, convecção e radiação)  Dentro ou 
fora de um 
SISTEMA TERMODINÂMICO 
Qualquer coisa ou coleção de objetos que possa trocar 
energia com o ambiente: 
Nosso corpo A pizza A locomotiva ..... 
 
Mas cuidado!! 
 
SEMPRE defina o que pode ou não ser incluído no sistema para descrever 
sem ambiguidade estas transferências de energia (para dentro ou fora do 
sistema). 
 
Principais Conceitos 
Qualquer variação no estado 
do Sistema Termodinâmico 
 
mudança na sua T, P ou V 
(variáveis de estado do sistema) 
 
CONVENÇÃO DE SINAIS 
 
W e Q 
 
PROCESSOS TERMODINÂMICOS 
Ao contrario da Mecânica, 
aqui o W é + quando o sistema 
termodinâmico realiza trabalho sobre a 
vizinhança 
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Trabalho realizado durante V 
Cilindro com pistão móvel (SISTEMA TERMODINÂMICO) 
“Pistão de um motor a gasolina” 
 moléculas do gás realizam trabalho sobre a superfície 
durante a colisão, gás se expande e a parede se move 
cosFddFW  
 (1) 
 
para distancias muito pequenas, dx, no mesmo sentido do movimento 
PdVdW
dVAdx
PAdxFdxdW



 
 (2) 
 
Quando a variação de volume é finita, de Vi para Vf 
define-se o W através da integral 

f
i
V
V
PdVW
 (3) 
Mas e se a P Variar ?  DIAGRAMA PV 
Expansão Isotérmica Compressão Isotérmica Expansão Isobárica 
 T = 0 P = 0 
Transformação Isocórica 
 
 V = 0 
Exercício 
1) Um gás ideal sofre expansão isotérmica (T 
= 0) para uma temperatura T, e o volume varia de V1 
a V2. Qual é o trabalho realizado pelo gás? 
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Exercício 
1) Um gás ideal sofre expansão isotérmica (T = 0) 
para uma temperatura T, e o volume varia de V1 a V2. Qual 
é o trabalho realizado pelo gás? 
)4(nRTPV 
)5(ln
1
2
2
1
2
1






  V
V
nRT
V
dV
nRTdV
V
nRT
W
V
V
V
V
2
1
1
2
2211
P
P
V
V
VPVP 
)6(ln
2
1







P
P
nRTW
Se T é cte em um gás ideal podemos utilizar a equação 
de estado 
Logo se nRT são cte e V varia, P deve variar (observe o 
diagrama PV), de (3) temos: 
Como T, n e R são cte, de (4) obtemos também que: 
Portanto: 
Se V2 > V1 ou P1 > P2 (EXPANSÃO), 
ln > 0 , logo W > 0 
Se V2 < V1 ou P1 < P2 
(COMPRESSÃO), ln < 0 , logo W < 0 
W (3) 
Quando há variação de T deve existir transferência de calor, mas o W e 
o Q dependem de como é realizado este processo? 
Temos 3 caminhos 
possíveis para ir do 
ponto 1 (estado inicial) 
até o ponto 2 (estado 
final). 
 
Em todos eles o W é 
diferente!!! 
 
Portanto o W realizado 
pelo sistema depende 
não somente de seus 
estados final e inicial 
como também dos 
estados intermediários. 
W depende do 
caminho!!! 
 
 
Exercício 2) analise 
os diagramas PV e 
mostre que no ciclo 
fechado (processo 
cíclico) 1 => 3 => 2 => 4 
=> 1, o W  0 e é igual à 
área dentro da curva. 
Entre o estado final e inicial de um sistema pode sempre existir vários estados 
intermediários!  CAMINHO 
Alterações feitas de forma muito lenta, sempre muito próximo ao estado de equilíbrio. 
 PROCESSO QUASE ESTÁTICO 
 
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E o Q ? Também dependem de como é realizado este processo? 
Expansão Isotérmica 
Gás em um processo quase estático com T 
cte, aumenta de volume com adição 
controlada de calor por um aquecedor 
elétrico. (Q  0 e W  0) 
Expansão Livre 
Gás à T cte, aumenta de volume 
bruscamente sem haver transferência de 
Q. (Q = 0 e W = 0) (gás não empurra 
nenhuma fronteira móvel). 
LOGO Q Também depende do CAMINHO !! 
Energia Interna e a 1ª Lei da termodinâmica 
Não faz sentido físico falar de Q contido em um corpo!! 
EE PCE ii
i


1
int
Eint = Q 
Ou 
dEint = dQ 
Vamos falar de ENERGIA INTERNA (Eint) 
contida em um corpo. 
das partículas que constituem o sistema 
Se fornecemos Q (Q > 0) ao sistema e ele não 
realiza trabalho (W = 0) durante o processo 
Se o sistema realiza trabalho de expansão (W > 0) contra suas 
vizinhanças e nenhum Q (Q = 0) é fornecido ao sistema nesse 
processo, a Eint < 0 (há perda de energia cinética pelas 
moléculas para movimentar o pistão) 
Eint = - W 
Ou 
dEint = - dW 
Quando há transferência de Q (Q  0) 
juntamente com realização de trabalho (W  0) 
Eint = Q - W 
Ou 
dEint = dQ – dW = dQ - PdV 
(7) 
1ª LEI DA TERMODINÂMICA Generalização do Principio de 
Conservação da Energia A energia não se cria ou destrói apenas se 
transforma! 
A Eint de um sistema durante qualquer processo termodinâmico depende somente do 
estado inicial e final do sistema, e não do caminho que conduz um estado ao outro. 
A Eint depende somente do estado do sistema!! 
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APLICAÇÕES 
Processos Cíclicos 
Q = W 
Eint I = Eint F 
 W = Q = 0 
Eint = 0 , Eint I = Eint F 
Sistemas Isolados  Caso da 
expansão livre 
APLICAÇÕES 
TIPOS DE PROCESSOS TERMODINÂMICOS 
Processos Adiabáticos 
Não envolve troca de calor, Q = 0 Eint F - Eint I = Eint = -W (8) 
Na compressão W < 0 e Eint > 0, logo T > 0 Muito rápido W > 0 e Eint e T 
diminuem Na expansão W > 0 e Eint < 0, logo T < 0 
Processos Isocóricos , V = 0 
PdVdW 
W = 0 
Eint F - Eint I = Eint = Q (9) 
Processos Isobáricos , P = 0 
Wi=>f = P(Vf – Vi) 
Eint = Q – W = Q - P(Vf – Vi) (10) 
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APLICAÇÕES 
TIPOS DE PROCESSOS TERMODINÂMICOS 
Processos Isotérmicos, T = 0 
Para manter o equilíbrio térmico a transferência de calor 
 deve ser muito lenta 
Eint = Q – W 
Exercício 
 
3) Você deseja comer um Sundae com calda 
quente que apresenta um valor alimentício de 
900 Kcal e a seguir resolve subir vários lances 
de escada para transformar em energia a 
sobremesa. Até que altura terá de subir, 
supondo que sua massa seja de 60 Kg? 
Dado: 1 cal = 4,186 J 
R.: h = 6,41 km 
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Segunda Lei da Termodinâmica 
 
 
Física Geral 
 
Profª.: Ana Mónica Rodrigues 
anarodrigues@unirio.br 
 
A Segunda Lei da Termodinâmica 
Processos Irreversíveis = são aqueles que ocorrem em um 
determinado sentido e nunca no sentido reverso. 
Esta lei descreve o sentido da realização de um processo 
termodinâmico natural, ou seja, um Processo Irreversível! 
O Calor sempre flui naturalmente de 
um corpo quente para um corpo frio ! 
Mas é possível através da realização de W externo, passar Calor de 
um corpo frio para um corpo quente  Princípio de um Refrigerador 
 
Também é possível converter Calor em W  Princípio de 
uma Máquina Térmica 
 
É a 2ª Lei da Termodinâmica que determina os limites fundamentais 
 para as eficiências de um Refrigerador ou Máquina Térmica 
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Máquina Térmica 
Qualquer dispositivo que transforma parcialmente Calor em W 
Ou Emec é denominado de Máquina Térmica 
 
W > 0 
Diagrama de fluxo 
Tq 
Tf 
Qq 
Qf 
Pela 1ª Lei da Termodinâmica temos que em um processo 
Cíclico a Eint é a mesma (ΔEint = 0) 
 ΔEint = Q – W Q = W (1) 
 
 
O Calor total absorvido por ciclo é: 
 Q = Q1 + Q2 = I Qq I – I Qf I (2) 
 
Logo 
 W = I Qq I – I Qf I (3) 
 
O ideal seria que todo o Qq fosse convertido em W, mas a ex- 
periência mostra que é impossível já que há sempre calor des- 
perdiçado e Qf ≠ 0. A eficiência ou rendimento térmico é : 
 Trabalho líquido 
Realizado pela máquina 
Calor total que flui 
 Por convenção, já que 
É o Calor que sai. 
eriênciapor
Q
Q
Q
QQ
Q
W
Q
W
q
f
q
fq
qconsumido
fornecido
exp1
1





 (4) 
Refrigerador 
Diagrama de fluxo 
Uma máquina térmica que 
funciona com o ciclo invertido, 
ou seja, recebe Calor de uma 
fonte fria e o transfere para 
uma fonte quente é 
denominado de Refrigerador. 
W < 0 
Qf > 0 
Qq < 0 
I W I = - W 
 (5) 
I Qq I = - Qq 
 
 
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Refrigerador 
De acordo com a 1ª Lei da Termodinâmica para um 
processo cíclico temos que: 
Eint = 0 = Q – W 
Q = -Qq + Qf 
-Qq + Qf + W = 0 
Qf + W = Qq 
Ou 
 
 W = Qq – Qf (6) 
 
O coeficiente de desenpenho 
ou eficiência será agora 
fq
ff
QQ
Q
W
Q


(7) 
q 
f 
As evidências experimentais sugerem fortemente que é impossível construir uma máquina 
térmica que converta completamente Calor em W com 100% de eficiência. 
 
Enunciado de Kevin-Planck: 
“É impossível para qualquer sistema passar por um processo que remove energia térmica 
(Calor, Q) de um único reservatório e a converte completamente em trabalho mecânico (W) 
sem que haja mudanças adicionais e o sistema termine em um estado idêntico ao inicial.” 
A Segunda Lei da Termodinâmica 
e seus enunciados 
Sabemos que o Calor flui espontaneamente de um corpo quente para um corpo frio e o 
inverso jamais ocorre. Mas o refrigerador faz isso, porém, sua operação necessita do 
fornecimento de W ou Energia Mecânica. 
 
Enunciado de Clausius: 
“É impossível produzir um processo que tenha como única etapa a transferência de 
Energia Térmica (Calor, Q) de um corpo mais frio para um corpo mais quente.” 
Os dois enunciados são equivalentes porque a invalidade de um leva à invalidade do outro! 
 
Exercício 1: Demonstre esta afirmação utilizando diagramas de fluxo e disserte sobre.