Primeira lei da termodinâmica - Física 2

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para fornecer calor ao gás.
Ao ser aquecido, o gás se expande empurrando o êmbolo para cima.
Notamos que o calor fornecido ao gás produziu trabalho, ao mover o êmbolo, e fez aumentar a temperatura do gás.
Isso demonstra que a energia se conservou. A energia na forma de calor transformou-se em outros tipos de energia.
A primeira lei da Termodinâmica corresponde, na verdade, ao princípio da conservação da energia. Assim, o calor fornecido ou retirado (Q) de um sistema resultará na realização de trabalho (W) e na variação da energia interna do sistema (∆U).
∆U = Q - W 
FÍSICA - 
Primeira lei da termodinâmica
Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.
Trabalho realizado 
pelo gás
(W > 0)
Quando o gás se expande, temos uma variação de volume positiva (∆V>0). Então dizemos que o gás realizou trabalho (W>0), pois é a força do gás que desloca o êmbolo.
Trabalho realizado 
sobre o gás
(W < 0)
Quando o gás é comprimido, temos uma variação de volume negativa (∆V<0). Então dizemos que o trabalho foi realizado sobre o gás (W<0), pois uma força externa desloca o êmbolo.
F
Gás
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Primeira lei da termodinâmica
Energia Interna (U)
A energia interna de um gás está diretamente relacionada com sua temperatura. Assim, uma variação na temperatura do gás indicará variação de sua energia interna (∆U). Para moléculas monoatômicas, tem-se:
K
n – número de mols do gás;
R – constante universal dos gases (8,31 J/mol.K);
T – temperatura do gás.
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o aquecimento
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Primeira lei da termodinâmica
Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.
Numa transformação isovolumétrica, todo calor recebido ou cedido (Q) pelo gás será transformado em variação da sua energia interna (∆U) . Como não há variação de volume, também não há realização de trabalho (W).
Q = W + ∆U
Q = ∆U
K
Calor recebido
∆U > 0
Calor cedido
∆U < 0
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Primeira lei da termodinâmica
Numa transformação isotérmica,, todo calor trocado pelo gás (Q), recebido ou cedido, resultará em trabalho (W) . Uma vez que não há variação de temperatura, também não há variação de energia interna(∆U).
Q = W + ∆U
Q = W
K
Calor Recebido
W > 0
Calor cedido
W < 0
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Primeira lei da termodinâmica
Numa transformação adiabática,, não ocorre troca de calor (Q) do gás com seu entorno. Assim, todo trabalho(W) realizado pelo gás (W>0) ou sobre o gás (W<0) resultará na variação de energia interna(∆U).
Q = W + ∆U
W = -∆U
K
W > 0
W < 0
Quando o trabalho é positivo (realizado pelo gás) observamos uma diminuição da temperatura. Quando o trabalho é negativo (realizado sobre o gás) observamos um aumento na temperatura. (clique para ver animação e fique atento a marcação do termômetro)
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Primeira lei da termodinâmica
Experimente você mesmo! 
Ao encher uma bola fazendo movimentos rápidos na bomba, notamos o aquecimento da mesma. Isto acontece porque o ar, uma vez comprimido rapidamente, eleva sua temperatura.
Como o processo é rápido, não há tempo para troca de calor com o meio externo. Trata-se de uma compressão adiabática.
Um outro exemplo, contrário ao anterior, mas que ilustra o mesmo tipo de transformação, é o uso do aerossol.
Ao mantê-lo pressionado por algum tempo, notamos o resfriamento da lata. A expansão do gás produz uma diminuição de sua temperatura. Trata-se de uma expansão adiabática.
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Primeira lei da termodinâmica
Imagens (de cima para baixo): a – Air pump / Priwo / Public Domain; b – Football / flomar / Public Domain; c – Aerosol / PiccoloNamek / GNU Free Documentation License.
Em resumo...
Transformação
Isotérmica
Q = W
Transformação
Isovolumétrica
Q = ∆U
Transformação
Adiabática
W = -∆U
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Primeira lei da termodinâmica
Vamos resolver juntos!
01. Transfere-se calor a um sistema, num total de 200 calorias. Verifica-se que o sistema se expande - realizando um trabalho de 150 joules – e sua energia interna aumenta.
a) Considerando 1 cal = 4J, calcule a quantidade de energia transferida ao sistema, em joules.
b) Utilizando a primeira lei da termodinâmica, calcule a variação de energia interna desse sistema.
Próximo Problema
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Primeira lei da termodinâmica
De início, é preciso considerar que a pressão do gás se mantém constante. Logo, a força que o gás exerce sobre o êmbolo é constante e não deve ser maior que 400N, pois o êmbolo deve subir lentamente.
Caso a força fosse maior que 400N, o êmbolo subiria aceleradamente. Assim, a força do gás deve ser 400N e o êmbolo deverá subir com velocidade constante.
F
400N
Lembremos que o trabalho de uma força é calculado por ...
W = 400x0,02
Onde “F” é o valor da força e “d” o deslocamento que a força produz.
Assim temos...
W = F x d
W = 8 J
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d = 0,02m
Então, para obter a mesma energia da Gasolina (em 1Kg), o volume de GNV será...
893 vezes maior que o volume da gasolina.
Então será necessário comprimir o GNV (aumentar a pressão) para se ter a mesma energia em um volume menor.
Assim, a alternativa que responde a questão será...
b) muito maior, o que requer que ele seja armazenado á alta pressão.
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Primeira lei da termodinâmica
Tente resolver!
05. Qual é a variação de energia interna de um gás ideal sobre o qual é realizado um trabalho de 80J durante uma compressão isotérmica?
a) 80J;
b) 40J;
c) Zero;
d) - 40J;
e) - 80J.
04. Enquanto se expande, um gás recebe o calor Q=100J e realiza o trabalho W=70J. Ao final do processo, podemos afirmar que a energia interna do gás:
a) aumentou 170 J;
b) aumentou 100 J;
c) aumentou 30 J;
d) diminuiu 70 J;
e) diminuiu 30 J.
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06. Um cilindro de parede lateral adiabática tem sua base em contato com uma fonte térmica e é fechado por um êmbolo adiabático pesando 100N. O êmbolo pode deslizar sem atrito ao longo do cilindro, no interior do qual existe uma certa quantidade de gás ideal. O gás absorve uma quantidade de calor de 40J da fonte térmica e se expande lentamente, fazendo o êmbolo subir até atingir uma distância de 10cm acima da sua posição original.
Nesse processo, a energia interna do gás:
a) diminui 50 J;
b) diminui 30 J;
c) não se modifica;
d) aumenta 30 J;
e) aumenta 50 J.
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Primeira lei da termodinâmica
Tente resolver!
07. (UFPR) Considere um cilindro de paredes termicamente isoladas, com exceção da base inferior, que é condutora de calor. O cilindro está munido de um êmbolo de área 0,01m² e peso 25N, que pode mover-se sem atrito. O êmbolo separa o cilindro em uma parte superior, onde existe vácuo, e uma parte inferior, onde há um gás ideal, com 0,01mol e volume inicial de 10 litros. À medida em que o gás é aquecido, o êmbolo sobe até uma altura máxima de 0,1m, onde um limitador de curso o impede de subir mais. Em seguida, o aquecimento prossegue até que a pressão do gás duplique. Com base nessas informações, é correto afirmar:
(01) Enquanto o êmbolo estiver subindo, o processo é isobárico;
(02) Após o êmbolo ter atingido o limitador, o processo é adiabático;
(04) O trabalho realizado no trecho de expansão do gás é de 2,5J;
(08) A temperatura no instante inicial é igual a 402K;
(16) O calor fornecido ao gás, na etapa de expansão, é utilizado para realizar trabalho e para aumentar a temperatura do gás;
(32) O trabalho realizado pelo gás durante a etapa de expansão é igual ao trabalho total realizado pelo gás desde o início do aquecimento até o momento em que o gás atinge o dobro da pressão inicial.
Soma ( )
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Primeira lei da termodinâmica
Imagem: SEE-PE produzida com base na imagem disponível em http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q=9144&t=
Questão: http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q=9144&t=
Tente resolver!
08. Quando um gás ideal sofre uma expansão isotérmica,
a) a energia recebida pelo gás na forma de calor é igual ao trabalho realizado pelo gás na expansão;b) não troca energia na forma de calor com o meio exterior;
c) não troca energia na forma de trabalho com o meio exterior;
d) a energia recebida pelo gás na forma de calor é igual à variação da energia interna do gás;
e) o trabalho realizado pelo gás é igual à variação da energia interna do gás.
09. Uma certa quantidade de ar contido num cilindro com pistão é comprimida adiabaticamente, realizando-se um trabalho de -1,5kJ. Portanto, os valores do calor trocado com o meio externo e da variação de energia interna do ar nessa compressão adiabática são, respectivamente,
a) -1,5kJ e 1,5kJ;
b) 0,0kJ e -1,5kJ;
c) 0,0kJ e 1,5kJ;
d) 1,5kJ e -1,5kJ;
e) 1,5kJ e 0,0kJ.
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Primeira lei da termodinâmica
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11. A Primeira Lei da Termodinâmica estabelece que o aumento da energia interna de um sistema é dado por ∆U= ∆Q- W, no qual ∆Q é o calor recebido pelo sistema, e W é o trabalho que esse sistema realiza.
Se um gás real sofre uma compressão adiabática, então,
a) ∆Q = ∆U;
b) ∆Q = W;
c) W = 0;
d) ∆Q = 0;
e) ∆U = 0.
10. A primeira lei da termodinâmica diz respeito à:
a) dilatação térmica;
b) conservação da massa;
c) conservação da quantidade de movimento;
d) conservação da energia;
e) irreversibilidade do tempo.
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