primeira lei termodinâmica

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Primeira lei da
Termodinâmica
Prof: Mucio Costa
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, 
CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO CEARÁ
Campus Fortaleza
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.
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.
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). 
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Primeira lei da termodinâmica
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.
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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Primeira lei da termodinâmica
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.
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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Primeira lei da termodinâmica
Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.
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.
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
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Primeira lei da termodinâmica
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:
TRn
2
3
U = ΔTRn
2
3
ΔU =
n – número de mols do gás;
R – constante universal dos gases (8,31 J/mol.K);
T – temperatura do gás.
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Primeira lei da termodinâmica
Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.
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).
Calor recebido
Calor cedido
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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).
Calor Recebido
Calor cedido
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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).
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
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.
Transformação
Isovolumétrica
Transformação
Adiabática
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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...
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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 
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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
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 ...
Onde “F” é o valor da força e “d” o deslocamento que a força
produz.
Assim temos...
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d
 =
 0
,0
2
m
Se o gás recebeuum 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...
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Primeira lei da termodinâmica
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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