Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)

Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)


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mudança no sistema, estão relacionadas uma 
com a outra por meio da primeira lei da termodinâmica, um poderoso enunciado sobre 
conservação de energia. 
. .:·' 
CAPITULO 17 \u2022 Trabalho, Calor e a Primeira Lei da Termodinâmica 507 
17.1 É tudo uma questão de energia 
A idéia central do Capítulo 11 é o teorema trabalho-energia cinética na seguinte forma: 
(17.1) 
A Equação 17 .1 significa que a energia cinética de um sistema de partículas sofre varia-
ção quando forças realizam trabalho sobre as partículas, empurrando-as ou puxando-as 
ao longo de uma determinada distância. Aqui 
1. W< é o trabalho realizado pelas forças conservativas. Este trabalho pode ser repre-
sentado como uma variação da energia potencial do sistema: ó.U == - w .. 
2. w9iss é o trabalho realizado pelas forças dissipativas de atrito dentro do sistema. 
Este trabalho aumenta a energia térmica do sistema: !.!..E,.rm = Wdiss· 
3. W ex\u2022 é o trabalho realizado pelas forças externas cuja origem está na vizinhança. A 
pressão de uma haste de pistão, por exemplo, seria uma força externa. 
Com essas definições, a Equação 17 .1 assume a forma: 
M + ó.U + !.!..E,crm = w \u2022\u2022 , (17.2) 
A energia mecânica de um sistema foi definida como Emec = K + U. A FIGURA 11.1 
serve para lembrá-lo de que a energia mecânica está associada ao movimento do sistema 
como um todo, ao passo que a E,.nn está associada com o movimento dos átomos ou 
moléculas do sistema. Emec é a energia macroscópica do sistema como um todo, ao passo 
que E,.rrn é a energia microscópica dos átomos corpusculares e das ligações moleculares 
do tipo mola. Disso resultou nosso enunciado final do Capítulo 11 sobre a energia: 
(17.3) 
Portanto, a energia total de um sistema isolado, para o qual W ex\u2022 = O. mantém-se cons-
tante. Essa é essência do princípio de conservação da energia, conforme enunciado no 
Capítulo 11. · 
Nos Capítulos lO~e 11, a ênfase recaiu sobre os sistemas isolados. Estávamos então 
interessados em aprender como a energia potencial e a energia cinética eram transfor-
madas de uma em outra e, quando havia atri to, em energia térmica. Agora queremos 
nos concentrar em saber como a energia é transferida entre o sistema e sua vizinhança 
quando w .. , não é nulo. 
Energia térmica 
A energia térmica, visualizada na ampliação da Figura 17.l, é a soma de Kmicro\u2022 a energia 
cinética de todos os átomos e moléculas em movimento, e Umõcw a energia potencial 
armazenada nas ligações moleculares do tipo mola, ou seja, 
(17.4) 
A energia térmica pode estar escondida de nossa visão macrokópica, mas ela é bem 
real. Lembre-se, do Capítulo 16, de que a energia térmica está associada à temperatura 
do sistema. 
Estritamente falando, a energia térmica devido ao movimento molecular é apenas 
uma forma de energia armazenada, em nível microscópico, em um sistema. Por exem-
plo, o sistema poderia possuir energia química, que pode ser liberada através de reações 
químicas envolvendo as moléculas do sistema. A energia .química é muito importante na 
termodinâmica para engenharia, onde é necessária para caracterizar processos de com-
bustão. A energia nuclear está armazenada nos núcleos atômicos e pode ser liberada 
durante o decaimento radioativo. Todas as fontes de energia microscópica são chamadas, 
em conjunto, de energia interna do sistema: 
Eôn< = E <crm + Equ;m + Enuc + ... ( 17.5) 
A energia total do sistema, portanto, é E,;, = Emec + Ei0 , . Este livro se concentrará em 
sistemas termodinâmicos simples, nos quais a energia interna é de origem inteiramente 
térmica: Ein\u2022 = Ecam. Deixaremos as outras formas de energia interna para cursos mais 
avançados. 
I 
A energia macroscópica 
do sistema como um 
todo é sua energia 
E .:'&quot;~~:\, ,/ 
~· = &quot;iA, 
O movimento microscópico 
dos átomos e das mol~ula~ 
FIGURA 11.1 A energia total de um 
sistema consiste da energia mecânica 
macroscópica do sistema como um todo 
mais a energia térmica microscópica dos 
átomos. 
508 Física: Uma Abordagem Estratégica 
(a) Levantamento a velocidade constante 
·l 
f 
.......... A tensão realiza um 
trabalho sobre o sistema. 
~ + U; + w ... = ~ + U1 +ó.E,... 
A energia transferida para o sistema é 
convertida inteiramente em energia mecânica 
do sistema 
(b) Arraste a velocidade constante 
D 
A tensão realiza 
.
...\u2022. um trabalho sobre 
o sistema. 
,f .. f 
A energia transferida para o sistema é 
coove1t ida inteimmcnte em energia térmica 
do sistema. 
FIGURA 11.20 trabalho realizado pela 
tensão pode ter conseqüências muito 
diferentes. 
Transferências de energia 
Realizar trabalho sobre um sistema pode ter conseqüências muito diferentes. A FIGURA 
11.2amostra um objeto levantado por uma corda a uma velocidade constante._ A tensão 
na corda é uma força externa que realiza um trabalho w ... sobre o sistema Neste caso, 
a energia transferida para o sistema vai diretamente para o aumento da energia poten-
cial macroscópica do sistema U&quot;ª&quot; que é parte da energia mecânica. O processo de 
transferência de energia Wm ~ Erncc está representado no gráfico de barras de energia 
da Figura 17.2a. 
Compare este gráfico com o da FIGURA 11.21J onde a mesma corda, com a mesma 
tensão, arrasta um objeto com velocidade constante ao longo de uma superfície áspera. 
A tensão realiza o mesmo trabalho, todavia a energia mecânica não sofre variação. Pelo 
contrário, o atrito aumenta a energia térmica do sistema objeto + superfície. O processo 
de transferência de energia W ex\u2022 ~ E..,rm está representado no gráfico de barras de energia 
da Figura 17.2b. 
O objetivo deste exemplo é mostrar que a energia transferida para um sistema pode ir 
diretamente para a energia mecânica do sistema ou inteiramente para sua energia térmica 
ou alguma combinação das duas (como quando se arrasta um objeto sobre uma rampa). 
A energia não é perdida, mas onde ela acaba depende das circunstâncias. 
Isso não pode ser tudo 
Você pode transferir energia para um sistema por meio do processo mecânico de reali-
zação de trabalho sobre o sistema. Mas essa não pode ser a única forma de transferência 
de energia. O que acontece, por exemplo, quando você coloca uma panela de água no 
fogão e acende o fogo? A temperatura da água aumenta, portanto 11E,.rm> O. No entanto, 
nenhum trabalho é realizado neste caso (W ex1 = 0) e não ocorre variação da energia me-
cânica da água (11Emec = O). Este processo, claramente, viola a equação da energia 11E&quot;&quot;&quot;&quot; 
+ 11E,ean = W .. ,. O que há de errado? 
Não há nada de errado. A equação de energia está correta dentro de sua faixa de 
validade, porém ela está incompleta. O trabalho é a energia transferida em uma intera-
ção mecânica, mas esta não é a única forma pela qual um sistema pode interagir com 
sua vizinhança. A energia também pode ser transferida entre o sistema e o ambiente se 
eles tiverem uma interação térmica. A energia transferida em uma interação térmica é 
chamada de calor. 
O símbolo para o calor é Q. Quando o calor é incluído, a equação de energia 
torna-se 
(17.6) 
Calor e trabalho, agora em pé de igualdade, são transferências de energia entre o sistema 
e a vizinhança. 
NOTA .,. Descartamos o subscrito &quot;ext&quot; de W. O trabalho que consideramos em ter-
modinâmica é sempre o trabalho realizado pela vizinhança sobre o sistema. Não 
precisamos distingui' este trabalho de Wc ou de Wd;,... de modo que o subscrito é 
supérfluo. .,. 
Retomaremos à Equação 17.6 na Seção 17.4, após analisarmos como o trabalho é 
calculado para processos realizados com um gás ideal e qual é o significado do calor. 
!PARE E PENSE 11.1 ) Um cilindro cheio de gás e um pistão 
são revestidos por um forte isolamento térmico. O 
pistão é empurrado para dentro do cilindro, compri-
mindo o gás. Neste processo, a temperatura do gás: 
a. Aumenta. 
b. Diminui. 
c. Não se altera. 
d. Não há informações suficientes