Trabalho em uma Transformação Isobárica

Física TRABALHO EM UMA TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA 1 Sumário Introdução .................................................................................................................................... 2 Objetivo ......................................................................................................................................... 2 1.Trabalho e Calor em processo s termodinâmicos a pres são constante .................................. 2 1.1. Calor e energ ia térmica ...................................................................................................... 4 2. Tr ansformação de en ergia térmica em trabalho ..................................................................... 5 Exercícios ...................................................................................................................................... 5 Gabarito ........................................................................................................................................ 6 Resumo ......................................................................................................................................... 6 2 Introdução O ciclo Otto mostra teoricamente como funciona o sistema de dos mot ores a combustão interna e esse processo se resume 4 tempos, estágios, que ocorrem, e eles estão divididos da seguinte maneira: 1º é chamado de admissão, é onde o pistão está no ponto morto superior e o vapor de gasolina com ar entra na câmara e o pistão desce para o ponto morto inferior. 2º é chamado de compre ssão, onde o pistão sobe e com prime a mistura de vapores, fechando completamente a câmara, nesse momento a pressão dentro d a câmera aumenta muito, e ssa re lação pode ser verificada usando a fórmula de pressão P=F/A, já que a área ali dentro diminui muito, em relação ao e spaço compreendido pelo vapor do combust ível e ar. O 3º estágio é o da combustão, é nesse momen to onde as vel as liber am uma d escarga elé trica, uma centelha, fazendo com que haja u ma explosão dentro da câmera, movendo novamente o pistão e por último o 4º tempo, que é o do e scape, onde as partícul as após a queima são liberadas pelo espaço de esca pe do motor . Nesta apostila, falaremos sobre c onceitos e aplicações i mportantes sobre os processos do tr abalho em transformações isobáricas e c omo essas transformações podem surgir no nosso dia a dia. Objetivos • Entender os conceitos sobre o trabalho em transformações à pressão constante; • Compreender e saber a aplicação de trabalho em uma transformaçã o isobárica. 1. Trabalho em pro cessos termodinâmicos a pressão constante Trazendo os princípios da física mecânica, onde o tr abalho é encontrand o a partir da força que é aplicada vezes o deslocamento do corpo. Fazendo uma analogia a esse princípio, aproximando os el ementos que existem dentre as características da termodinâmica, i magine novamente que, e m um ci l indro contento um pistão móvel, há um gás confinado a uma temperatura constante, ou seja, neste proc esso (idealizado) quando o pistão se desloca, conforme ilustra a imagem abaixo, a capacidade do cilindro aumenta, com isso, seu volume é alterado mas sua pressão mantém-se a mesma, portanto, constante. 3 Cilindro contendo pistão mó vel com um gás confinado e sua variaçã o de volume Suponha que no cilindro, ainda com o gás arm azenado, o pistão se desloque de um volume A ( 𝑉 𝐴 ) para um vol ume ( 𝑉 𝐵 ), de acordo com a imag em do gráfico abaixo. Como a primeira l ei vale durant e o processo, a correlação da ΔU = τ + Q expressa que o trabalho é obrigatoriamente negativo (visto que o pist ão está realizando trabalho no ambiente). Por exemplo, se o gás permanecer com a mesma temperatura (e, portanto, a mesma energia in terna), e ntão a en ergia interna não varia durante o processo e o cilindro tem que absorver calor (uma quantidade positiva na expressão da primeira lei) para contrabalançar o trabalho negativo . 𝜏 = – 𝑃 . 𝛥𝑉 O trabalho para processos à pre ssão constante (isobárico) é bastante simples de ser c alculado, visto q ue seu resultado fic a somente em função da variação do volume desse sistema, ou seja, c omo a pressão d o processo é uniforme, será a mesma durante todo o processo termodinâmico , sendo considerado para fins expressivo some nte o diferencial do volume, c onform e pode ser verificado na equação abaixo: 𝜏 = – 𝑃 . ( 𝑉 𝐵 − 𝑉 𝐴 ) τ → Trabalho 𝛥𝑉 → Variação do volume 𝑃 → Pressão constante ou uniforme 4 FIQUE ATENTO ! 1.1. Calor e Energia térmica Calor (Q) nada mais é que a quantidade de energia que está em trânsito, ou seja, é a energia transferida entre um corpo e suas respectivas vizinhanç as devido a s diferenças de temperatura s. CAI NA PRO VA! 2. Transformação de energia térmic a em Trabalho A pri meira l ei da termodinâmica é o p rincípio da conservação de energia para sistemas termodinâmicos. Esse p rincípio dar -se pela teori a que na natureza nada se cria ou de destrói, mas sim, tudo é transformado . 𝜏 = 𝛥𝑈 − 𝑄 Τ → Trabalho 𝛥𝑈 → Variação d a energia interna O calor tem c omo unidade oJoule, no sist ema internacional (S.I) . Temos que 1 cal = 4,186 J e 1 Btu = 252 cal. A unidade de medida do trabalho, no S I (sistema internacional), é o Joules, que se define como o traba lho realizado por uma força de um Newton (N) agindo ao longo de um metro (m). 5 𝑄 → Calor IMPOR TANT E! Exercícios 1. Com relação à energia interna de um gás, assinale a alternativa incorreta: a) A energia intern a de um g ás é a medi da da energia cinética méd ia das partículas do gás. b) A ene rgia inte rna de um gás d epende da quantid ade de mols d o gás e da sua temperatura absoluta, dada em Kelvin. c) A energia interna de um gás é d iretamente proporcional à sua pressão e ao se u volume. d) A energia interna de um gás, em u nidades do sistema internacio nal (S I), é medida em joules. e) Durante transformações isotérmi cas, a e nergia interna de um gás p ode aumentar ou diminuir. 2 . (Mackenzie-SP) Um gás, contido em um recipiente dotado de um êmbolo que pode se mover, sofre uma transformação. N essa transformação forne cemos 800 cal ao gás e e le realiza o trabalho de 20 9 J. Send o 1 cal=4,18 J, o aumento da energia interna desse gás foi de: a) 209 J b) 3.135 J c) 3.344 J d) 3.553 J e) 3.762 J Note q ue a energia i nterna de um si stema muda se calor é adi cionado ao sistema ou se um trabalho é realizado sobre ele. Enquanto pressão, volume e temperatura são propriedade s de um sistema, calor e trabalho não são. 6 Gabarito 1) (e) Quando falamos e m transformações isotérmicas, o prefixo “ iso” trás o senti do de mesmo, ou mesma temperatura e quando a temperatura de um sistema permanece constante, não temos variação de energia interna desse si stema, l ogo, a alternativa E é INCORRETA. 2) Q=800*4,18 = 3.344 J ΔU=Q+τ , como o gás realiza trabalho, então, esse trabalho é menos do que zero. ΔU=Q - τ ΔU=3.344 -209 ΔU=3.135J Utilizando o p rimeiro princípio da te rmodinâmica ou 1ª l ei da termodinâmica, utilizamos a equação: τ =ΔU -Q. Fazendo a modificação das medidas para o sistema internacional (SI) e transformando o calor recebido de cal para joules . Substituindo os valores de Q e τ na equação, temos: ΔU=Q+τ, como o gás realiza trabalho, então, esse trabalho é menos do que zero. Resumo A primeira lei ou prime iro pri ncípio da te rmodinâmica, o trabalho dar -se pelo calor recebido ou cedido ao sistema, subtraído da variação d e energia desse mesmo sistema. O trabalho para processos à pre ssão constante (isobárico) é bastante simples de ser c alculado, visto que seu re sultado fic a somente em função da variação do volume desse sistema, ou seja, c omo a pressão d o processo é uniforme, será a mesma durante todo o processo termodinâmico, sendo c onsiderado para fins expressivo somente o diferencial do volume. A pri meira l ei da termodin âmica é o princípio da conservação de energia para sistemas termodinâmicos. Esse p rincípio dar -se pela teori a que na n atureza nada se cria ou de destrói, mas sim, tudo é transformado. 7 Referências bibliográficas Física. Vol. 2. Calor e Energia: a primeira lei da termodi nâmica. Disponível em: http://projetoseeduc.cecierj.edu.br/eja/recurso-multimidia- professor/fisica/novaeja/m2u04/mat_didatico_fis_v2_unidade9.pdf . Acessado em: 27 set. 201 9. GUIA DO ESTUDANTE. Resumo de Física : Termodinâmica. Disponível em: https://guiadoestudante.abril.com.br/estudo/resumo- de -fisica-termodinamica /. Acessado em: 23 set. 2019. SANTOS, José Carlos Fernandes dos. Termodinâmica . Disponível em: http://educacao.globo.com/fisica/assunto/t ermica/termodinamica.html . Acessado em: 23 se t. 2019.

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