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Ciências da Natureza - Física
2º ano do Ensino Médio
Primeira lei da termodinâmica
Prof. Adriel Lima
1
FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio
Primeira lei da termodinâmica
A ideia de aproveitar o calor para produzir movimento (trabalho) é bem antiga. Heron de Alexandria (10 d.C. a 70 d.C.) já propunha em sua eolípila tal aproveitamento.
Esta ideia ganhou a forma de máquinas térmicas e revolucionou, na segunda metade do século XVIII, a maneira pela qual as pessoas se relacionam e produzem seus bens.
Experimente você mesmo! 
No livro Física mais que divertida, do professor Eduardo Campos Valadares (Ed. UFMG), encontramos um experimento denominado “Usina Térmica”.
A experiência consiste em aquecer uma lata de refrigerante contendo água e um furo na parte superior.
Bem a frente do furo deve ser colocada uma turbina (ventoinha). 
Este é um bom exemplo de transformação
de energia térmica em energia mecânica,
ou seja, calor em movimento.
FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio
Primeira lei da termodinâmica
A força para produção de bens
 era braçal e bastante personalisada.
O homem percebe que pode utilizar a força da água para realização de trabalhos como a moagem de grãos. 
Sugerimos que pesquise sobre rodas d’água e moinhos de água.
Com a máquina a vapor o homem passa a controlar a fonte de energia sendo capaz de produzir bens em larga escala.
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Primeira lei da termodinâmica
Clique aqui
para fornecer calor ao gás.
Ao aquecer, 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.
Isto 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 (δ) e na variação da energia interna do sistema (∆U).
Q = δ + ∆U 
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Primeira lei da termodinâmica
Trabalho realizado 
pelo gás
(δ > 0)
Quando o gás se expande temos uma variação de volume positiva (∆V>0). Então dizemos que o gás realizou trabalho (δ>0), pois é a força do gás que desloca o êmbolo.
Trabalho realizado 
sobre o gás
(δ < 0)
Quando o gás é comprimido temos uma variação de volume negativa (∆V<0). Então dizemos que o trabalho foi realizado sobre o gás (δ<0), pois uma força externa desloca o êmbolo.
F
Gás
FÍSICA, 2º ano do Ensino Médio
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). 
K
n – número de mols do gás.
R – constante universal dos gases (8,31 J/mol.K)
T – temperatura do gás
Ligue aqui
o aquecimento
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Primeira lei da termodinâmica
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 (δ).
Q = δ + ∆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(δ) . Uma vez que não há variação de temperatura, também não há variação de energia interna(∆U).
Q = δ + ∆U
Q = δ
K
Calor Recebido
δ > 0
Calor cedido
δ < 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(δ) realizado pelo gás (δ>0) ou sobre o gás (δ<0) resultará na variação de energia interna(∆U).
Q = δ + ∆U
δ = -∆U
K
δ > 0
δ < 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 pois o ar 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 transformação adiabática.
Um outro exemplo, contrário ao anterior, mas que ilustra o mesmo tipo de transformação, é o uso do aerosol.
Ao mantê-lo pressionado por algum tempo, notamos o resfriamento da lata. A expansão do gás produz uma diminuição na temperatura do mesmo.
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Primeira lei da termodinâmica
Em resumo...
Transformação
Isotérmica
Q = δ
Transformação
Isovolumétrica
Q = ∆U
Transformação
Adiabática
δ = -∆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 que 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
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 a 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 δ=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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Primeira lei da termodinâmica
Tente resolver!
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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Tente resolver!
07. 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 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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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-δ, onde ∆Q é o calor recebido pelo sistema, e δ é o trabalho que esse sistema realiza.
Se um gás real sofre uma compressão adiabática, então,
a) ∆Q = ∆U.
b) ∆Q = δ.
c) δ = 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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