Primeira lei da termodinâmica

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Ciências da Natureza e suas Tecnologias – Física
Ensino Médio, 2ª Série
Primeira lei da termodinâmica
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 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.
Imagens: 
Eolípila: Katie Crisalli para a U.S. Air Force / United States public domain.
Heron de Alexandria: Autor desconhecido / United States public domain.
Imagens: 
À Esquerda, Sala de máquinas penteadeiras a vapor Heilmann / Armand Kohl / Public domain.
À Direita, Locomotiva a vapor / Don-kun / Public domain.
ETEC – CENTRO PAULA SOUZA
PRFª Angela Santos
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.
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Imagem: SEE-PE redesenhada com base em http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_08.asp
Imagem: Arturo D. Castillo / Creative Commons Attribution 3.0 Unported.
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A força para produção de bens
 era braçal e bastante personalizada.
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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Imagens (de cima para baixo): a - Lewis W. Hine , Yale University Art Gallery/ Public Domain; b - Roger May / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic; c – Emoscopes / GNU Free Documentation License.
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Clique aqui
para fornecer calor ao gás.
Ao ser aquecido, 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.
Isso 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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Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.
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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
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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). Para moléculas monoatômicas, tem-se:
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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1ª Lei da Termodinâmica e as Transformações gasosas
https://pt.slideshare.net/marcoasanches/termodinmica-52505734
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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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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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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Experimente você mesmo! 
Ao encher uma bola fazendo movimentos rápidos na bomba, notamos o aquecimento da mesma. Isto acontece porque o ar, uma vez 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 compressão adiabática.
Um outro exemplo, contrário ao anterior, mas que ilustra o mesmo tipo de transformação, é o uso do aerossol.
Ao mantê-lo pressionado por algum tempo, notamos o resfriamento da lata. A expansão do gás produz uma diminuição de sua temperatura. Trata-se de uma expansão adiabática.
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Imagens (de cima para baixo): a – Air pump / Priwo / Public Domain; b – Football / flomar / Public Domain; c – Aerosol / PiccoloNamek / GNU Free Documentation License.
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Em resumo...
Transformação
Isotérmica
Q = δ
Transformação
Isovolumétrica
Q = ∆U
Transformação
Adiabática
δ = -∆U
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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 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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Se o sistema recebeu 200 calorias e 1 cal = 4Joules, então a energia recebida em Joules será...
Q=200x4J
Q=800J
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O problema informa que o sistema recebeu Q=800 J e realizou um trabalho δ=150 J.
Pelo que afirma o princípio da conservação de energia que corresponde á 1ª lei da Termodinâmica, todo calor trocado resultará em trabalho e variação da energia interna.
Logo... 
Q = δ + ∆U 
800 = 150 + ∆U
800 - 150 = ∆U
∆U = 650 J
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Vamos resolver juntos!
02. (Unesp 1999) Certa quantidade de um gás é mantida sob pressão constante dentro de um cilindro com o auxílio de um êmbolo pesado, que pode deslizar livremente. O peso do êmbolo mais o peso da coluna de ar acima dele é de 400 N. 
a) o trabalho realizado pelo gás;
b) o calor específico do gás no processo, sabendo-se que sua massa é 0,5 g.
Uma quantidade de 28 J de calor é, então, transferida lentamente para o gás. Neste processo, o êmbolo se eleva de 0,02 m e a temperatura do gás aumenta de 20 °C.
Nestas condições, determine:
Próximo Problema
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Imagem: SEE-PE redesenhada com base em http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26
Questão: http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26
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De início, é preciso considerar que a pressão do gás se mantém constante. Logo, a força que o gás exerce sobre o êmbolo é constante e não deve ser maior que 400N, pois o êmbolo deve subir lentamente.
Caso a força fosse maior que 400N, o êmbolo subiria aceleradamente. Assim, a força do gás deve ser 400N e o êmbolo deverá subir com velocidade constante.
F
400N
Lembremos que o trabalho de uma força é calculado por ...
δ = 400x0,02
Onde “F” é o valor da força e “d” o deslocamento que a força produz.
Assim temos...
δ = Fxd
δ = 8 J
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d = 0,02m
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Se o gás recebeu um calor Q=28J e efetuou um trabalho δ=8J, então podemos calcular que sua variação de energia interna (∆U) foi de ...
Q = δ + ∆U 
28 = 8 + ∆U
28 – 8 = ∆U
∆U = 20 J
Assim, podemos afirmar que o aumento da temperatura em 20°C foi uma decorrência do recebimento de 20 Joules de energia.
Lembrando que estudamos em calorimetria sobre o calor sensível - aquele responsável por provocar uma variação na temperatura ( Q=m.c.∆T) - poderemos então calcular o calor específico...
20 = 0,5.c.20
20 = 10.c
c = 2 J/g.°C
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03. Nos últimos anos, o gás natural (GNV: gás natural veicular) vem sendo utilizado pela frota de veículos nacional, por ser viável economicamente e menos agressivo do ponto de vista ambiental.
O quadro compara algumas características do gás natural e da gasolina em condições ambiente.
Vamos resolver juntos!
a) 	muito maior, o que requer um motor muito mais potente.
b) 	muito maior, o que requer que ele seja armazenado á alta pressão.
c)	igual, mas sua potência será muito menor.
d) 	muito menor, o que o torna o veículo menos eficiente.
e) 	muito menor, o que facilita sua dispersão para a atmosfera.
Apesar das vantagens no uso de GNV, sua utilização implica algumas adaptações técnicas, pois, em condições ambiente, o VOLUME de combustível necessário, em relação ao de gasolina, para produzir a mesma energia, seria:
Resposta
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Observe que o texto afirma que a tabela compara os valores da Gasolina e do GNV em condições ambiente, logo, sujeitos à pressão da atmosfera.
Assim, em 1m³ de ambiente aberto, tem-se 738 Kg de gasolina e 0,8 Kg de GNV.
A tabela informa também que, em 1Kg de GNV, tem-se uma energia de 50.200 KJ, enquanto que, em 1Kg de Gasolina, tem-se uma energia bem próxima, no valor de 46.900 KJ.
Para obtermos 1Kg de Gasolina será necessário um volume de...
Já para obtermos 1Kg de GNV, será necessário um volume de...
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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 á alta pressão.
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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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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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07. (UFPR) 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 em 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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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 valoresdo 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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11. A Primeira Lei da Termodinâmica estabelece que o aumento da energia interna de um sistema é dado por ∆U= ∆Q-δ, no qual ∆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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	2a	Eolípila: Katie Crisalli para a U.S. Air Force / United States public domain.	http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aeolipile.jpg	16/03/2012
	2b	Heron de Alexandria: Autor desconhecido / United States public domain.	http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Heron.jpeg	16/03/2012
	2c	Locomotiva a vapor / Don-kun / Public domain.	http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DD-Oybin1088.jpg	16/03/2012
	2d	Sala de máquinas penteadeiras a vapor Heilmann / Armand Kohl / Public domain.	http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Armand_Kohl48.jpg	16/03/2012
	3a	SEE-PE, Imagem produzida com base na imagem de Autor Desonhecido situada em http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_08.asp	Imagem produzida com base em http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_08.asp	16/03/2012
	3b	Arturo D. Castillo / Creative Commons Attribution 3.0 Unported.	http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sol07.svg	16/03/2012
	4a	Lewis W. Hine , Yale University Art Gallery/ Public Domain	http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Making_Pittsburgh_Stogies_by_Lewis_Hine.jpeg	16/03/2012
	4b	Roger May / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic	http://commons.wikimedia.org/wiki/File:17th_Century_Water_Mill_-_geograph.org.uk_-_43368.jpg	16/03/2012
	4c	Emoscopes / GNU Free Documentation License.	http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Newcomen_atmospheric_engine_animation.gif	16/03/2012
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	11a	Air pump / Priwo / Public Domain	http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Luftpumpe-01.jpg	16/03/2012
	11b	Football / flomar / Public Domain	http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Football_%28soccer_ball%29.svg	16/03/2012
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