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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distinções entre elas são essenciais. A linguagem comum pode facil-
mente induzi-lo ao erro. Se um objeto desliza até parar por causa do atrito, a maioria das 
pessoas diz que a energia cinética do objeto é "convertida em calor''. Na verdade, o calor 
não está envolvido neste processo. Em nenhum lugar houve transferência de energia em 
razão de diferença de temperatura. Em vez disso, a energia mecânica do objeto é trans-
formada em energia ténnica dos átomos e moléculas. Em resumo. 
\u2022 A energia térmica é uma energia do sistema devido ao movimento de seus átomos 
ou moléculas. É umafonna de energia. A energia térmica é uma variável de estado, 
e faz sentido falar em como a E,crm varia durante wn processo. A energia térmica do 
sistema continua a existir mesmo que ele seja isolado e não interaja termicamente 
com sua vizinhança. 
\u2022 O calor é a energia transferida entre o sistema e a vizinhança quando eles interagem. 
O calor não é uma forma particular de energia e também não é uma variável de 
estado. Não faz. sentido falar sobre como o calor varia. Se um sistema não interage 
termicamente com a vizinhança, Q = O. O calor pode fazer com que a energia tér-
mica do sistema varie, todavia isso não significa que calor e energia térmica sejam 
a mesma coisa. 
\u2022 A temperatura é uma variável de estado que quantifica o grau "quente" ou "frio" de 
um sistema. Ainda não fornecemos uma definição precisa de temperatura, mas po-
demos adiantar que ela está relacionada à energia térmica média por molécula. 
Uma diferença de temperatura é o requisito necessário !'ara a existência de uma 
interação térmica em que energia térmica seja transferida entre o sistema e a vizi-
nhança. 
É de especial importância não ac;sociar um aumento observado de tem-
peratura com o calor. Aquecer um sistema é uma maneira de alterar sua 
temperatura, porém, conforme mostrou Joule, esta não é a única maneira 
possível. Você também pode alterar a temperatura do sistema realizando 
trabalho sobre o mesmo. A observação do sistema não nos diz nada so-
bre o processo pelo qual a energia entra ou sai do sistema. 
Grandezas envolvidas 
cm processos 
TrabalhoW 
CalorQ 
/" 
Essas grandezas 
dependem do processo. 
Para gases, elas 
dependem do caminho 
seguido no diagrama pV. 
~ 
Variação 
Variáveis de estado 
Energia térmica E_ 
Pressâop 
Volume V 
Temperatura T 
~ ...... 
A variação dessa~ grande7.as, como 
ti.T = T1 - T,. não depende do 
processo. A variação é a mesma 
para qualquer processo que leve o 
sistema de um mesmo estado inicial 
i para um mesmo estado final f. 
Temos um problema de cunho lingüístico já mencionado, que se refere 
a termos como "íluxo de calor" e "capacidade térmica", que são vestígios 
históricos. Tais termos, usados até mesmo em discursos técnicos e cientí-
ficos, sugerem incorretamente que o calor seja uma substância capaz de 
fluir de um objeto para outro ou de estar contida em um objeto. Com a 
experiência, cientistas e engenheiros aprendem a usar esses termos sem o 
significado que, interpretados literalmente, parecem sugerir. Grandezas do processo e variáveis de estado. 
516 Física: Uma Abordagem Estratégica 
Trabalho 
feito sobre 
Entrada 
de energia 
Calor 
cedido ao 
sistema 
8.8-8.10 
Vizinhança 
Trabalho 
feito pelo 
\u2022~....------,.,, sistema 
W<O 
Saída de 
energia 
Calor 
cedido pelo 
sistema 
FIGURA 11.12 O modelo termodinâmico de 
energia. 
Infelizmente, livros de física não podem reinventar a língua. Tomaremos muito cui-
dado em nossa escolha de palavras e expressões, comentando os pontos em que a lingrta-
gem possa potencialmente confundir ou induzir ao erro. Este aviso de antemão o ajudará 
a evitar algumas dessas armadilhas. 
PARE E PENSE 11.l Quais dos seguintes processos envolvem calor? 
a. Os freios do seu carro esquentam quando você pára o veículo. 
b. Um bloco de aço é mantido sobre uma vela. 
e. Você empurra um cilindro rígido com gás ao longo de uma superfície sem atrito. 
d. Você empurra um pistão dentro de um cilindro com gás, aumentando a temperatura 
do mesmo. 
e. Você coloca um cilindro com gás dentro de água quente. O gás sofre uma expansão, 
fazendo com que o pistão suba e levante um peso. A temperatura do gás não sofre 
variação. 
17.4 A primeira lei da termodinâmica 
O calor é a peça que faltava para chegarmos a um enunciado completamente geral da lei 
de conservação da energia. Rearranjando a Equação 17.6, obtemos 
\u2022 
Trabalho e calor, as duas formas de transferência de energia entre um sistema e sua vizi-
nhança, fazem com que a energia do sistema se altere. 
Neste ponto do texto. não estamos interessados em sistemas dotados de um mo-
vimento macroscópico como um todo. Sistemas macroscópicos em movimento foram 
importantes para nós durante muitos capítulos; todavia, agora, à medida que investiga-
mos as propriedades térmicas de um sistema, desejamos que o sistema como um todo 
descanse tranqüilamente sobre a bancada do laboratório enquanto o estudamos. Logo, ao 
longo do restante da Parte lY, consideraremos que Mmec =O. 
Com essa hipótese claramente explicitada, o princípio de conservação da energia 
assume a forma 
:iE,== W+Q (primeira lei da termodinâmica) (17.17) 
A equação da energia, nesta fonna, é chamada de prímeira lei da te rmodinâmica, ou 
simplesmente de a &quot;primeira lei&quot;. Trata-se de um enunciado muito geral sobre a conser-
vação da energia. 
Nos Capítulos 10 e 1 1 foi introduzido o modelo básico de energia. Ele foi chamado 
de básico porque incluía o trabalho, mas não, o calor. A primeira lei da termodinâmica 
incluiu o calor, mas excluiu situações em que a energia mecânica se altera. A FIGURA 11.12 
é uma representação pi<!tórica do modelo te rmodinâmico de energia descrito pela pri-
meira lei. Trabalho e calor são energias transferidas entre o sistema e a vizinhança. 
A energia adicionada ao sistema (W ou Q positivo) aumenta sua energia térmica (M ,crm 
>O). Analogamente, a energia térmica diminui quando energia é removida do sistema. 
Dois comentários são relevantes aqui: ' 
1. A primeira lei da termodinâmica não nos diz nada sobre o valor da E,crm, somente 
como a E,crm varia. Realizar 1 J de trabalho alterará a energia ténnica em /J.Eccrm = 
1 J, não importando se E,.nn = 10 J ou 10.000 J. 
2. A energia térmica do sistema não é a única gnmdeza que varia. O trabalho e o calor, 
que mudam a energia térmica, também fazem variar a pressão. o volume. a tempe-
ratura e outras variáveis de estado. A primeira lei se refere apenas à 6.E,.rm· Outras 
leis e relações devem ser usadas para determinar como variam as outras variáveis de 
estado. 
CAPÍTULO 17 \u2022 Trabalho, Calor e a Primeira Lei da Termodinâmica 517 
A primeira lei é uma das ferramentas analíticas mais importantes da termodinâmica. 
No restante deste capítulo, usaremos a primeira lei para estudar algumas das proprieda-
des térmicas da matéria. 
Três processos especiais com gás ideal 
Há três processos realizados com gás ideal nos quais um dos termos da primeira lei -
M,trm, W ou Q - é nulo. Para investigar esses processos. a FIGURA 11.n mostra um cilin-
dro de gás com três propriedades especiais: 
\u2022 Você pode evitar que o volume do gás se altere inserindo um pino de trava no pistão. 
Sem o pino, o pistão pode deslizar para cima e para baixo. O pistão tem massa des-
prezível, é desprovido de atrito e está isolado. 
\u2022 Você pode alterar a pressão do gás adicionando ou removendo massas de cima do 
pistão. O trabalho é realizado à medida que o pistão desloca as massas para cima ou 
para baixo. 
\u2022 Você pode aquecer ou resfriar o gás colocando o cilindro sobre uma chama ou um 
bloco de gelo. O fundo estreito do cilindro é a única superfície pela qual a energia 
térmica pode ser transferida. 
Você aprendeu no Capítulo 16 (ver Figura 16.12) que a pressão do gás quando o pis-
tão &quot;flutua&quot;