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Deixa que a gente explica! www.bioexplica.com.br UNIDADE 10: 1ª Lei da Termodinâmica É p ro ib id a a re p ro d u çã o , t o ta l o u p ar ci al , d es te m at er ia l A primeira lei da termodinâmica estuda a relação entre as grandezas trabalho, variação da energia interna e quantidade de calor. Essa relação nada mais é que um princípio de conservação de energia aplicado a termodinâmica. Além disso, estuda os processos de transformações isotérmico, isobárico, isovolumétrico e adiabáticos aplicados a primeira lei da termodinâmica. Primeira Lei da Termodinâmica Δ𝑈 é a variação da energia interna do sistema 𝑄 é a quantidade de calor 𝜏𝑔á𝑠 é o trabalho do gás Lembrando que a variação energia interna é TRANSFORMAÇÕES GASOSAS APLICADAS A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA Transformação Isotérmica Em uma transformação isotérmica não ocorre variação de temperatura. Dessa forma, não ocorre variação da energia interna e pela primeira lei da termodinâmica temos que Isso significa que o calor e o trabalho trocados com o meio externo são iguais. Se o sistema receber o calor ele será convertido integralmente em trabalho. Se o sistema receber trabalho ele cede energia para o meio externo na forma de calor. Transformação Isométrica Na transformação isométrica não ocorre variação de volume. Dessa forma, não há realização de trabalho e pela primeira lei da termodinâmica temos que Isso significa que a variação da energia interna é igual ao calor trocado com o meio externo. Se o sistema receber calor a sua energia interna aumenta. Se o sistema ceder calor sua energia interna diminui. ΔU = 3 2 nRΔT Q = ΔU + τgás https://alunosonline.uol.com.br/fisica/primeira-lei- termodinamica.html Q = τgás Δ𝑈 = 𝑄 Deixa que a gente explica! www.bioexplica.com.br É p ro ib id a a re p ro d u çã o , t o ta l o u p ar ci al , d es te m at er ia l Transformação Isobárica Em uma transformação isobárica não ocorre variação de pressão. Dessa forma, através da equação de Clapeyron temos que o volume varia diretamente com a temperatura. Então se o sistema aumenta a temperatura sua energia interna aumenta e seu trabalho é realizado e positivo. Caso a temperatura do sistema diminua a sua energia interna diminui e nesse caso o sistema recebe o trabalho. Transformação Adiabática Em uma transformação adiabática não ocorre troca de calor do sistema com o meio externo. Dessa forma, pela primeira lei da termodinâmica temos que Quando o sistema recebe trabalho sua temperatura aumenta pois recebe calor da vizinhança Quando o sistema realiza o trabalho sua temperatura diminui, pois cede calor para a vizinhança. 01. (Udesc) Um gás ideal monoatômico, com n mols e inicialmente na temperatura absoluta T, sofre uma expansão adiabática até que sua temperatura fique a um terço de sua temperatura inicial. Logo, o gás: a) absorveu uma quantidade de calor igual a nRT. b) se expandiu isobaricamente. c) realizou trabalho liberando uma quantidade de calor igual a nRT. d) se expandiu aumentando sua energia interna de nRT. e) realizou trabalho e sua energia interna diminuiu de nRT. 02. (Ufrgs) Observe a figura abaixo. A figura mostra dois processos, I e II, em um diagrama pressão (P) volume (V) ao longo dos quais um gás ideal pode ser levado do estado inicial i para o estado final f. Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas do enunciado abaixo, na ordem em que aparecem. De acordo com a 1ª Lei da Termodinâmica, a variação da energia interna é __________ nos dois processos. O trabalho IW realizado no processo I é __________ que o trabalho IIW realizado no processo II. a) igual − maior b) igual − menor c) igual − igual d) diferente − maior e) diferente − menor ATIVIDADES PROPOSTAS Δ𝑈 > 0 e 𝜏𝑔á𝑠 > 0 Δ𝑈 < 0 e 𝜏𝑔á𝑠 < 0 Δ𝑈 = −𝜏𝑔á𝑠 Δ𝑈 > 0 e 𝜏𝑔á𝑠 < 0 Δ𝑈 < 0 e 𝜏𝑔á𝑠 > 0 Deixa que a gente explica! www.bioexplica.com.br É p ro ib id a a re p ro d u çã o , t o ta l o u p ar ci al , d es te m at er ia l 03. (Uefs) A primeira lei da termodinâmica para sistemas fechados foi originalmente comprovada pela observação empírica, no entanto é hoje considerada como a definição de calor através da lei da conservação da energia e da definição de trabalho em termos de mudanças nos parâmetros externos de um sistema. Com base nos conhecimentos sobre a Termodinâmica, é correto afirmar: a) A energia interna de uma amostra de um gás ideal é função da pressão e da temperatura absoluta. b) Ao receber uma quantidade de calor Q igual a 48,0 J, um gás realiza um trabalho igual a 16,0 J, tendo uma variação da energia interna do sistema igual 64,0 J. c) Quando se fornece a um sistema certa quantidade de energia Q, esta energia pode ser usada apenas para o sistema realizar trabalho. d) Nos processos cíclicos, a energia interna não varia, pois volume, pressão e temperatura são iguais no estado inicial e final. e) A energia interna, o trabalho realizado e a quantidade de calor recebida ou cedida independem do processo que leva o sistema do estado inicial A até um estado final B. 04. (ifsul) No estudo da termodinâmica dos gases perfeitos, são parâmetros básicos as grandezas físicas quantidade de calor (Q), trabalho (W) e energia interna (U), associadas às transformações que um gás perfeito pode sofrer. Analise as seguintes afirmativas referentes às transformações termodinâmicas em um gás perfeito: I. Quando determinada massa de gás perfeito sofre uma transformação adiabática, o trabalho (W) que o sistema troca com o meio externo é nulo. II. Quando determinada massa de gás perfeito sofre uma transformação isotérmica, a variação da energia interna é nula ( U 0). III. Quando determinada massa de gás perfeito sofre uma transformação isométrica, a variação da energia interna ( U) sofrida pelo sistema é igual a quantidade de calor (Q) trocado com o meio externo. Está (ão) correta (s) apenas a(s) afirmativa (s) a) I. b) III. c) I e II. d) II e III. 05. (Uece) O processo de expansão ou compressão de um gás em um curto intervalo de tempo pode representar um processo termodinâmico que se aproxima de um processo adiabático. Como exemplo, pode-se mencionar a expansão de gases de combustão em um cilindro de motor de automóvel em alta rotação. É correto afirmar que, em um processo adiabático no sistema, a) a temperatura é constante e o trabalho realizado pelo sistema é nulo. b) não há transferência de calor. c) a pressão e o volume são constantes. d) a energia interna é variável e a pressão é constante. TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: Se necessário, use aceleração da gravidade: 2g 10 m / s densidade da água: d 1,0 kg / L calor específico da água: c 1cal / g C 1cal 4 J constante eletrostática: 9 2 2k 9 ,0 10 N m / C constante universal dos gases perfeitos: R 8 J/ mol K 06. (Pucpr) O físico e engenheiro francês Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832), em seu trabalho Reflexões sobre a potência motriz do fogo, concluiu que as máquinas térmicas ideais podem atingir um rendimento máximo por meio de uma sequência específica de transformações gasosas que resultam num ciclo – denominado de ciclo de Carnot, conforme ilustra a figura a seguir. Deixa que a gente explica! www.bioexplica.com.br É p ro ib id a a re p ro d u çã o , t o ta l o u p ar ci al , d es te m at er ia l A partir das informações do ciclo de Carnot sobre uma massa de gás, conforme mostrado no gráfico p V, analise as alternativas a seguir. I. Ao iniciar o ciclo (expansão isotérmica 1 2), a variação de energia interna do gás é igual a QQ e o trabalho é positivo (W 0). II. Na segunda etapa do ciclo (expansão adiabática 2 3) não há troca de calor, embora o gás sofra um resfriamento, pois U W.Δ III. Na compressão adiabática 4 1, última etapa do ciclo, o trabalho realizado sobre o gás corresponde à variação de energia interna dessa etapa e há um aquecimento, ou seja, U W.Δ IV. O trabalho útil realizado pela máquina térmica no ciclo de Carnot é igual à área A ou, de outro modo, dado por : Q FQ Q .τ V. O rendimento da máquina térmica ideal pode atingir até 100 %, pois o calor FQ pode ser nulo – o que não contraria a segunda lei da termodinâmica. Estão CORRETAS apenas as alternativas: a) I, II e IV. b) I, II e III. c) II, III e IV. d) II, III e V. e) III, IV e V. 07. (Udesc) Analise as proposições com relação às leis da termodinâmica. I. A variação da energia interna de um sistema termodinâmico é igual à soma da energia na forma de calor fornecida ao sistema e do trabalho realizado sobre o sistema. II. Um sistema termodinâmico isolado e fechado aumenta continuamente sua energia interna. III. É impossível realizar um processo termodinâmico cujo único efeito seja a transferência de energia térmica de um sistema de menor temperatura para um sistema de maior temperatura. Assinale a alternativa correta. a) Somente as afirmativas I e II são verdadeiras. b) Somente as afirmativas II e III são verdadeiras. c) Somente as afirmativas I e III são verdadeiras. d) Somente a afirmativa II é verdadeira. e) Todas afirmativas são verdadeiras. QUESTÃO 01 Gabarito: [E] Como o gás sofreu uma expansão, ou seja, aumentou o volume, então ele realizou trabalho, mas o processo foi adiabático, isto é, sem haver troca de calor com o meio externo, portanto o trabalho realizado pelo gás foi à custa de sua energia interna. Assim, a resposta correta é letra [E]. QUESTÃO 02 Gabarito: [B] A variação da energia interna de um gás ideal depende tão somente da sua temperatura absoluta. Nota-se para os dois processos apresentados que as temperaturas inicial e final são iguais, portanto as variações da energia interna também serão iguais. O trabalho é representado pela área sob a curva, com isso, identifica-se que o processo I o trabalho realizado é menor quando comparado ao processo II. QUESTÃO 03 Gabarito: [D] [A] Falsa. A energia interna de um gás é função de sua temperatura absoluta. [B] Falsa. De acordo com a primeira Lei da Termodinâmica, temos: GABARITOS Deixa que a gente explica! www.bioexplica.com.br É p ro ib id a a re p ro d u çã o , t o ta l o u p ar ci al , d es te m at er ia l U Q W U 48 16 U 32 JΔ Δ Δ [C] Falsa. Ao fornecer uma energia a um sistema, este pode realizar trabalho ou aumentar sua energia interna. [D] Verdadeira. [E] Falsa. A avaliação das variáveis de processo depende de estabelecer um estado inicial e um estado final. QUESTÃO 04 Gabarito: [D] [I] Incorreta. Numa transformação adiabática o calor trocado é nulo. [II] Correta. A variação da energia interna é diretamente proporcional à variação da temperatura absoluta. [III] Correta. Numa transformação isotérmica, o trabalho realizado é nulo. Assim: U Q W U Q 0 U Q.Δ Δ Δ QUESTÃO 05 Gabarito: [B] Processo adiabático por definição não há transferência de calor, Q 0. QUESTÃO 06 Gabarito: [C] Analisando as afirmativas, temos: [I] (Falsa) Em um processo isotérmico, a energia interna é constante, e, portanto sua variação é nula U 0;Δ [II] (Verdadeira) Não há troca de calor em um processo adiabático (Q 0) e como temos uma expansão o trabalho que o gás realiza se dá à custa da energia interna causando um resfriamento do sistema. Da primeira lei da Termodinâmica, para uma expansão adiabática (Q 0) : final inicial inicial finalU Q W U 0 W U W W U W U U W U U ;Δ Δ Δ Δ Logo, não significa que o trabalho é negativo, pois se trata de uma expansão, mas este trabalho é devido à variação negativa da energia interna. [III] (Verdadeira) Neste caso temos um processo de compressão adiabática (Q 0) , em que haverá um aquecimento do gás graças ao trabalho realizado sobre o gás. A diferença de energia interna é positiva e o trabalho entregue ao sistema é negativo (trabalho feito sobre o gás – compressão). Sendo assim, de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica, temos: U Q WΔ Para um processo adiabático (Q 0) então: U WΔ Mas como temos uma compressão, o trabalho é realizado sobre o gás e, portanto negativo. U ( W)Δ Como poderíamos esperar temos um aumento de temperatura, pois U 0.Δ E, finalmente temos a expressão U W;Δ que do jeito que foi colocada na questão pode dar margens à dúvidas, pelo trabalho ser, de fato negativo. [IV] (Verdadeira) O trabalho útil do ciclo τ corresponde à área sob as curvas A ou ainda pela diferença de calor entre a fonte quente e a fonte fria: Q FQ Q ;τ tendo apenas a ressalva de que o calor da fonte fria seja diferente de zero FQ 0, pois do contrário violaria a Segunda Lei da Termodinâmica onde não podemos ter um rendimento de 100% utilizando máquinas térmicas, considerando o calor da fonte fria nulo, ou seja, é impossível transformar todo o calor em trabalho. [V] (Falsa) A Segunda Lei da Termodinâmica diz que é impossível construir uma máquina que obedeça ao ciclo de Carnot com um rendimento de 100%, visto que é impossível converter o calor de forma integral em trabalho. Sendo assim, a alternativa correta é [C]. QUESTÃO 07 Gabarito: [C] [I] CORRETA. Do enunciado, o calor é fornecido ao sistema (Q 0) e o trabalho é realizado sobre o sistema (W 0). Assim, pela primeira lei da termodinâmica, tem-se que: Q W U U Q W Δ Δ Como, Q 0 W 0 Logo, U Q W U Q W Δ Δ [II] INCORRETA. Quando um sistema é fechado, não existe troca de calor com o meio externo nem é realizado trabalho, seja sobre ou pelo sistema. Logo, Q 0 W 0 U 0Δ Deixa que a gente explica! www.bioexplica.com.br É p ro ib id a a re p ro d u ção , t o ta l o u p ar ci al , d es te m at er ia l [III] CORRETA. De acordo com a segunda lei da termodinâmica Referencial Teórico: Gaspar, Alberto. Fisica. São Paulo: Áttica, 2003, vol 1. Ramalho, F. J.; NICOLAU, G. F.; TOLEDO, P. A. 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