1ª Lei da Termodinâmica: Calor e Trabalho

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1ª Lei da Termodinâmica
 Definição de calor
 Definição de trabalho
 Primeira Lei da Termodinâmica
 Alguns casos especiais da Primeira Lei da Termodinâmica (Adiabático, Expansões Livres, Isobárico, Isocórico)
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Viviane Galvão – vivgalvao@gmail.com
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 Na Antiguidade os Gregos consideravam o fogo como um dos 4 elementos principais e reconheciam a luz e o calor por ele emitidos como sendo propriedades distintas. 
 O primeiro químico a estudar o calor foi Joseph Black. O calor foi descrito como um fluido que enchia todos os corpos e cujas partículas se repeliam umas às outras. Já se considerava que a energia perdida, como calor, por um corpo quente era igual à energia ganha por um corpo frio  a Teoria do Calórico. 
 Em 1787, o calórico foi considerado um elemento químico, por Lavoisier, e foi incluído na Tabela Periódica. 
No século XVIII, Benjamin Thompson, em sequência de algumas experiências que realizou, pôs em dúvida a Teoria do Calórico, defendendo que o calor não era uma substância mas sim uma forma de movimento. 
Origem do termo Calor
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 Thompson verificou que o calor gerado na perfuração de uma broca fazia a água entrar em ebulição  inferiu que o calor seria uma consequência do movimento das partículas dos corpos e que era transferido da broca para a água, numa quantidade igual ao trabalho realizado pela broca. 
 Em 1837, James Joule mostrou que o trabalho pode ser convertido em calor. Com um calorímetro, Joule verificou que a agitação das pás do calorímetro resultava no aquecimento da água no seu interior. 
 Joule verificou que, para uma dada massa de água, a mesma quantidade de trabalho provocava o mesmo aquecimento, concluindo que calor e trabalho eram, então, duas manifestações diferentes da energia  Determinou que fluxo de calor, como o trabalho, é uma forma de transferência de energia (ΔQ = W)
 Estavam, assim, dados os primeiros passos que iriam levar à formulação da 1.ª Lei da Termodinâmica.
Origem do termo Calor
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 Energia  Não tem peso nem cor, tampouco cheiro! Mas pagamos por ela! Também não podemos vê-la diretamente, mas podemos percebê-la nas mudanças e transformações por ela produzidas.
 O uso da energia implica em transformá-la de uma forma para outra, porém a energia não pode ser criada nem destruída
Sejam quantas forem as transformações, a quantidade total de energia no Universo permanece constante
Lei da Conservação da Energia
1a Lei da Termodinâmica
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Lei da Conservação da Energia
1a Lei da Termodinâmica
Apesar da energia assumir diferentes formas, a quantidade total de energia é constante, e quando uma energia desaparece em uma forma, ela aparece simultaneamente em outras formas.
 A energia não pode ser criada ou destruída.
 A energia pode ser: 
		Armazenada
		Transformada de uma forma para outra
		Transferida de um sistema par outro (ou para a vizinhança)
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 Esta lei se aplica para o sistema e sua vizinhança:
(energia do sistema) +  (energia da vizinhança) = 0
 A energia pode atravessar a fronteira sob duas formas – Calor ou Trabalho
Lei da Conservação da Energia
1a Lei da Termodinâmica
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 TRABALHO: É uma transferência de energia que pode causar um movimento contra uma força que se opõe a esse movimento (w).
 CALOR: Transferência de energia devida a uma diferença de temperatura entre o sistema e as vizinhanças (q).
Trabalho e Calor
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Trabalho e Calor em Processos Termodinâmicos
 Variáveis de estado – pressão, volume, temperatura e energia interna
 O estado macroscópico de um sistema pode ser especificado apenas se o sistema estiver em equilíbrio térmico interno 
 Variáveis de transferência – trabalho e calor
 Essas variáveis só têm valor diferente de zero se ocorrer um processo no qual a energia é transferida através da fronteira do sistema 
 
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 Considere um cilindro com um êmbolo móvel e um gás confinado neste cilindro. A força para cima sobre o êmbolo devido à pressão do gás é igual ao peso das esferas colocadas sobre o êmbolo. 
 Durante o processo a energia pode ser transferida do reservatório térmico para o sistema (calor positivo) ou vice-versa (calor negativo).
O sistema pode realizar trabalho levantando as esferas (trabalho positivo), ou receber trabalho abaixando as esferas (trabalho negativo).
		
Trabalho realizado por um sistema deformável
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 Suponha que algumas esferas de chumbo são removidas do êmbolo, permitindo que o gás empurre o êmbolo e as esferas restantes para cima com uma força F, que produz um deslocamento infinitesimal dS. 
 Como o deslocamento é pequeno, podemos supor que F é constante durante o deslocamento  módulo de F = p.A. 
O trabalho infinitesimal dW realizado pelo gás durante o deslocamento é dado por: 
Trabalho realizado por um sistema deformável
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Expansão do gás
O trabalho realizado pelo gás é positivo 
Compressão do gás
O trabalho realizado pelo gás é negativo 
 Se o voluma aumenta o trabalho (W) é positivo e se o volume diminiu o trabalho (W)é negativo. 
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Trabalho realizado por um sistema deformável
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 O estado do gás a cada passo pode ser traçado numa representação gráfica que é muito importante na termodinâmica – diagrama PV
W é a área sob a curva
Trabalho realizado por um sistema deformável – gás 
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 O trabalho realizado pelo gás depende da trajetória seguida entre os estados inicial e final 
Para determinar o trabalho W3 é preciso conhecer a função P(V) 
Trabalho realizado por um sistema deformável – gás 
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Na prática existem muitas formas de levar o gás do estado i para o estado f.
A área sombreada representa o trabalho W realizado por um sistema ao passar do estado inicial i para um estado inicial f. O trabalho é positivo porque o volume do sistema aumenta;
W continua a ser positivo, mas agora é maior;
W continua a ser positivo, mas agora é menor;
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d) W pode ser ainda menor (trajetória icdf) ou ainda maior (trajetória ighf);
e) Neste caso, o sistema vai do estado f para o estado i quando o gás é comprimido por uma força externa e seu volume diminui, o trabalho realizado pelo sistema é negativo;
f) O trabalho líquido Wliq realizado pelo sistema durante um ciclo completo é representado pela área sombreada.
Na prática existem muitas formas de levar o gás do estado i para o estado f.
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 Experimentos mostram algo surpreendente! A grandeza Q (calor – energia transferida)  W (trabalho realizado) é a mesma para todos os processos termodinâmicos. Ela depende apenas dos estados inicial e final e não depende da maneira como o sistema passou de um estado para outro.
 Esta diferença QW representa uma propriedade intrínseca do sistema, que é a energia interna (Eint). Assim:
Para uma variação infinitesimal:
Primeira Lei da Termodinâmica
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Algumas Aplicações do Primeiro Princípio da Termodinâmica
 Processos termodinâmicos: 
 Adiabático – sistema isolado no qual não há trocas de calor entre o sistema e o ambiente 
 Expansões livres – processo adiabático no qual nenhum trabalho é realizado
 Isobárico – a pressão do sistema é mantida constante
 Isocórico – o volume do sistema é mantido constante  o sistema não pode realizar trabalho 
 Cíclico – após certas trocas de calor e trabalho, o sistema volta ao estado inicial
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Processo adiabático
Q=0
 Todas as superfícies do pistão são isolantes perfeitos, de maneira que a transferência de energia pelo calor não existe 
 Aplicando a primeira lei da termodinâmica: 
 O trabalho realizado pelo gás é negativo, representando a transferência de energia para dentro do sistema, de maneira que a energia interna aumenta. Quando o gás se expande adiabaticamente, ΔU é negativo
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 A expansão livre é um processo adiabático único, 
em que nenhum trabalho é realizado sobre o gás. 
Como Q=0 e W=0 obtemos. 
 Não há variação na temperatura durante uma expansão livre adiabática 
Expansão livre - Processo adiabático
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Processo Isobárico
 Processo que ocorre a 
uma pressão constante 
 Aplicando a primeira lei da termodinâmica 
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Processo Isocórico
 No processo isocórico, o volume é constante e é criado segurando-se o pistão de maneira que ele não se mova 
W= 0 
 Aplicando a primeira lei da termodinâmica 
 Toda a energia adicionada ao sistema por meio do calor, vai para o aumento da energia interna do sistema 
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Processo cíclico
 O sistema não isolado começa e termina no mesmo estado 
 Aplicando a primeira lei da termodinâmica 
 A energia adicionada ao sistema na forma de calor, deve ser igual ao trabalho realizado sobre o sistema durante o ciclo 
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1) Processo adiabático: não ocorre troca de calor entre o sistema (gás) e o ambiente.
2) Processo a volume constante: o sistema não realiza trabalho.
3) Processos cíclicos: Após certas trocas de calor e de trabalho, o sistema volta ao estado inicial.
4) Expansões livres: São processos adiabáticos nos quais nenhum trabalho é realizado.
Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica
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Alguns Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica
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Exercício
17 - Suponha que 1 kg de água é convertido em vapor a 100 0C à 1 
atm (1 atm = 1,01 x 105 Pa). O volume de água varia de um valor 
inicial de 10-3 m3 do líquido para 1,673 m3 de vapor. a) Qual o 
trabalho realizado pelo sistema durante este processo? 
b) Qual energia é transferida em forma de calor durante o 
processo? O calor de vaporização Lv da água é Lv = 2256 kJ/Kg.
 c) Qual a variação da energia interna do sistema 
durante o processo? R: a) 169 KJ. b) 2256 KJ. c) 2087 kJ
18 - Você deseja comer um alimento com valor alimentício de 
900 calorias e a seguir subir correndo vários lances de escada para 
transformar em energia o alimento ingerido. Até que altura 
você terá que subir? Suponha que sua massa seja 60 kg. R: 6410 m
 
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