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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é determinada pela pressão atmosférica e pela massa total M sobre o pistão: 
(17.18) 
A pressão não sofre variação à medida que o pistão se desloca, a menos que você 
altere a massa. A compreensão deste ponto é de especial importância. A Equação 17 .18 
não é válida quando o pistão está travado. Com ele travado. a pressão poderia ser maior 
ou menor do que a dada pela Equação 17.18. 
Processo de resfriamento isocórico (W = 0): Nenhum trabalho é realizado em um 
processo isocórico (volume constante) porque o pistão não se desloca. Para resfriar o gás 
sem realizar crabalho: 
\u2022 Insira o pino de trava para que o volume não se altere. 
\u2022 Coloque o cilindro sobre o bloco de gelo. A energia térmica será transferida do gás 
para o gelo, fazendo com que a temperatura do gás e a pressão diminuam. 
\u2022 Quando a pressão desejada for atingida, remova o cilindro de cima do gelo. 
\u2022 Remova massas de cima do pistão até que a massa total M equilibre a nova pressão 
do gás. fata etapa deve ser realizada antes de remover o pino de trava; do contrário, 
o pistão se deslocará quando o pino for removido. 
\u2022 Remova o pino de trava. 
A Figura 17. 7a mostra o diagrama p V. O ponto final pertence a uma isotenna mais 
baixa do que a do ponto inicial, portanto Tr< T; . Nenhum trabalho foi realizado, entretanto 
energia térmica foi transferida para fora do gás (Q < O), e, com isso, a energia térmica do 
gás diminuiu (6.E,.,,11 <O) à medida que temperatura caía. A FIGURA 11.14 representa este 
resultado em um gráfico de barras da primeira lei. Não conbecemos o valor da energia 
térmica inicial E«rmi\u2022 de modo que a altura da barra de E .. &quot;,,; é arbitrária. Ainda assim, po-
demos verificar que a energia tém1ica dim inuiu na quantidade de energia que deixou o 
sistema como calor. 
Expansão isotérmica (M,.nn = O): A energia térmica não se altera em um processo 
isotérmico porque a temperatura do gás não sofre variação. Para expandir o gás sem 
alterar sua energia térmica: 
\u2022 Coloque o cilindro sobre a chama. Energia térmica será transferida para o gás, e ele 
começará a se expandir. 
\u2022 O produto p V deve permanecer constante durante um processo isotérmico. Lentamen-
te, remova massas de cima do pistão a fim de reduzir a pressão à medida que o volume 
aumenta. A temperatura permanece constante porque a energia térmjca lr'dilsfcrida da 
chama compensa o trabalho negativo realizado sobre o gás durante a expansão. 
\u2022 Quando o gás atingir o volume desejado, remova o cilindro de cima da chama. 
A Figura 17.8 mostra o diagrama p V. Em um processo isoténuico, 6.E1\u2022m\u2022 = O (pois 6. T = 0), 
portanto a primeira lei 6.E«nn = W + Q poderá ser satisfeita somente se W = - Q. A energia 
As massas determinam a pressão do gás. 
O trabalho é realizado conforme as massas 
se de.~locam para\ cima ou pant baixo. 
:&quot;: Isolante 
,iii~~·: -=º 
- '\ 
Gás 
\u2022: 
Pindde 
trava que 
fixa o 
volume do 
Li-'6====~...ut.:i·· gás. 
Energia térmica / '!' ~undo fino 
pode ser transferida 
para dentro ou para 
fora do gás . 
\u2022 Chama 
FIGURA 11.n O gás pode ser aquecido e 
trabalho pode ser realizado sobre ele. 
E,,m,; + W + Q = .t:.,..,, r 
+ 
FIGURA 11.14 Gráfico de barras para 
a primeira lei em um processo sem 
realização de trabalho. 
5 18 Física: Uma Abordagem Estratégica 
+ 
FIGURA 17.15 Gráfico de barras para a 
primeira lei em um processo que não 
altera a energia térmica. 
E..,,.;+ W + Q = E&quot;&quot;&quot;c 
+ ·- - -
, l.m._] 
FIGURA 11.16 Gráfico de barras para a 
primeira lei em um processo que não 
transfere energia térmica. 
térmica é transferida para o gás, mas a temperatura do mesmo não varia. Em vez disso, a 
energia transferida para o gás faz com que ele se expanda e realize o trabalho de erguer·as 
massas. À medida que o gás sofre a expansão, o pistão realiza um trabalho negativo sobre o 
gás. Esta informação é representada no gráfico de barras para a primeira lei da FIGURA 11.1s . 
NOTA .,.. É surpreendente, mas verdadeiro, que possamos aquecer um sistema sem 
alterar sua temperatura. Porém para isso devemos realizar um processo em que a 
energia que entra no sistema como calor seja exatamente compensada pela energia 
que sai do sistema como trabalho. O ponto importante aqui é que 6.T = O não 
significa necessariamente Q = O. ~ 
Compressão adiabática (Q = 0): Um processo no qual nenhuma energia térmica é 
transferida entre o sistema e a vizinhança é chamado de processo adiabático. Embora o 
sistema não possa ter interação térmica com a vizinhança, ele ainda pode interagir meca-
nicamente à medida que o pistão empurra ou puxa o gás. Para comprimir o gás sem ha-
ver transferência de calor: 
\u2022 Isole termicamente a parte de baixo do cilindro. 
\u2022 Adicione lentamente ma5sas ao pistão, aumentando a pressão. O pistão descerá len-
tamente, comprimindo o gás e diminuindo seu volume. 
\u2022 Pare de adicionar massa<> quando o gás atingir o volume desejado. 
Em um processo adiabático, Q = O, de modo que a primeira lei 6.Etccm = W + Q só po-
derá ser satisfeita se 6.E,erm = W. Um trabalho é realizado sobre o gás a fim de comprimi-
lo. A energia transferida para o sistema, como trabalho, aumenta a energia térmica e, 
portanto, a temperatura do gás. Esta informação é representada no gráfico de barras para 
a primeira lei da FIGURA 17.16 . 
NOTA .,.. Embora o sistema esteja bem-isolado termicamente - da vizinhança - , isso 
não significa que sua temperatura permaneça constante. A energia que entra no sis-
tema, como trabalho, produz as mesmas conseqüências que uma igual quantidade 
de energia que entrasse no sistema como calor. Em uma compressão adiabática, o 
trabalho serve para aumentar a temperatura do gás. Analogamente, uma expansão 
adiabática reduz a temperatura do gás. O ponto importante aqui é que Q = O não 
significa necessariamente 6.T = O. ~ 
Posteriormente, neste capítulo, examinaremos os processos de gás adiabático e sua 
curva em um diagrama p V. Por enquanto, para estes três processos especiais, certifique-
se de ter compreendido quais quantidades são nulas e quais não são. 
PARE E PENSE 17.4 Qual dos gráficos de barras para a primeira lei descreve o processo representado no diagrama p V? 
(a) 
p 
f 
L----- --- - v 
E_,+ W + Q = E&quot;'&quot;' r E,= ,+ W + Q = E,=, 
: \u2022+\u2022+\u2022=' 
(b) (d) 
17.5 Propriedades térmicas da matéria 
Joule comprovou que o calor e o trabalho são energias transferidas entre um sistema e 
sua vizinhança. Calor e trabalho são equivalentes no sentido de que a mudança ocorrida 
em um sistema será exatamente a mesma se você transferir energia térmica para ele ou se 
CAPÍTULO 17 \u2022 Trabalho, Calor e a Primeira Lei da Termodinâmica 519 
realizar uma quantidade igual de trabalho sobre o mesmo. Adicionar energia ao sistema, 
ou removê-la, alterará sua energia térmica. 
O que ocorre a um sistema quando você altera sua energia térmica? Nesta seção, 
consideraremos duas possibilidades distintas: 
\u2022 A temperatura do sistema sofre alteração. 
\u2022 O sistema é submetido a uma mudança de fase, como fusão ou solidificação. 
Variação de temperatura e calor específico 
Suponha que você realize um experimento em que adicione energia à água, realizando 
trabalho sobre ela ou transferindo calor para ela. De qualquer forma, você descobrirá que 
a adição çle 4190 J de energia à água aumentará a temperatura de 1 kg do liquido em 1 K. 
Se você tivesse a sorte de dispor de l kg de ouro, precisaria adicionar apenas 129 J de 
energia a fim de aumentar sua temperatura em l K. 
A quantidade de energia transferida que aumenta a temperatura de 1 kg de alguma subs-
tância em 1 K é chamada de calor específico da mesma. O símbolo para calor específico é 
c. A água tem um calor específico e~&quot;&quot;= 4190 J/kg K. O calor específico do ouro é couro= 
129 J/kg K. O calor específico depende tão somente do material do qual um objeto é feito. A 
Tabela 17 .2 traz alguns