2ºF - Física 13/07 A 17/07

A termodinâmica é uma área da Física que estuda as transferências de energia. Busca compreender as relações entre calor, energia e trabalho, analisando quantidades de calor trocadas e os trabalhos realizados em um processo físico.

A ciência termodinâmica foi inicialmente desenvolvida por pesquisadores que buscavam uma forma de aprimorar as máquinas, no período da Revolução Industrial, melhorando sua eficiência.

Esses conhecimentos se aplicam atualmente em várias situações do nosso cotidiano. Por exemplo: máquinas térmicas e refrigeradores, motores de carros e processos de transformação de minérios e derivados do petróleo.

As leis fundamentais da termodinâmica regem o modo como o calor se transforma em trabalho e vice-versa.

Primeira Lei da Termodinâmica

A Primeira Lei da Termodinâmica se relaciona com o princípio da conservação da energia. Isso quer dizer que a energia em um sistema não pode ser destruída nem criada, somente transformada.

Quando uma pessoa usa uma bomba para encher um objeto inflável, ela está usando força para colocar ar dentro do objeto. Isso significa que a energia cinética faz o pistão abaixar. No entanto, parte dessa energia se transforma em calor, que é perdida para o meio.

A fórmula que representa a primeira lei da termodinâmica é a seguinte:

Ela também pode ser encontrada da seguinte forma:

ΔU = Q - W

Onde,

ΔU: variação da energia interna=> ΔU = U_final - U_inicial
Q: calor
W: trabalho

O fundamento resulta no mesmo: a variação da energia interna (ΔU) resulta do calor trocado com o meio externo menos o trabalho (W) realizado.

    Ao receber uma quantidade de calor Q=50J, um gás realiza um trabalho igual a 12J, sabendo que a Energia interna do sistema antes de receber calor era U=100J, qual será esta energia após o recebimento?

Para usarmos essa fórmula, precisamos nos atentar para algumas regras de sinais:

·         ΔU – será positivo, se a temperatura do sistema aumentar;

·         ΔU – será negativo, se a temperatura do sistema diminuir;

·         Q – será positivo, se o sistema absorver calor do meio externo;

·         Q – será negativo, se o sistema ceder calor ao meio externo;

·         τ – será positivo, se o sistema se expandir, realizando trabalho sobre o meio externo;

·         τ – será negativo, se o sistema se contrair, recebendo trabalho do meio externo.

Variação da energia interna

O termo ΔU refere-se à mudança de energia atribuída à energia cinética das partículas constituintes do sistema, no caso de um gás ideal, pode-se dizer que ΔU equivale a:

n – número de mols (mol)

R – constante universal dos gases ideais (0,082 atm.l/mol.K ou 8,31 J/mol.K)

T – temperatura absoluta (kelvin)

Analisando as fórmulas, pode-se perceber que, caso não ocorra uma mudança de temperatura no sistema, sua energia interna também permanecerá inalterada. Além disso, é importante dizer que para as máquinas térmicas, que operam em ciclos, a variação da energia interna, ao final de cada ciclo, deve ser nula, pois nesse ponto, o motor volta a operar com a temperatura inicial.

Exercícios

1)    O trabalho realizado em um ciclo térmico fechado é igual a 100 J e, o calor envolvido nas trocas térmicas é igual a 1000 J e 900 J, respectivamente, com fontes quente e fria. A partir da Primeira Lei da Termodinâmica, qual a variação da energia interna nesse ciclo térmico, em joules? Q = T + ΔU

2)     Um motor só poderá realizar trabalho se receber uma quantidade de energia de outro sistema. No caso, a energia armazenada no combustível é, em parte, liberada durante a combustão para que o aparelho possa funcionar. Quando o motor funciona, parte da energia convertida ou transformada na combustão não pode ser utilizada para a realização de trabalho. Isso significa dizer que há vazamento da energia em outra forma. Carvalho, A. X. Z.

^{Física Térmica. Belo Horizonte: Pax, 2009 (adaptado).}

De acordo com o texto, as transformações de energia que ocorrem durante o funcionamento do motor são decorrentes de a
a)    liberação de calor dentro do motor ser impossível.
b)     realização de trabalho pelo motor ser incontrolável.
c)     conversão integral de calor em trabalho ser impossível.
d)     transformação de energia térmica em cinética ser impossível.
e)     utilização de energia potencial do combustível ser incontrolável.

 3) - Um cilindro com êmbolo móvel contém um gás à pressão de 4,0.10⁴N/m². Quando é fornecido 6 kJ de calor ao sistema, à pressão constante, o volume do gás sofre expansão de 1,0.10^-1m³. Determine o trabalho realizado e a variação da energia interna nessa situação.

Dados:

 P = 4,0.10⁴ N/m²

Q = 6KJ ou 6000 J 

ΔV = 1,0.10^-1 m³ 

T = ?

ΔU = ?

1ª Etapa: Calcular o trabalho com os dados do problema. T = P. ΔV

2ª Etapa: Calcular a variação da energia interna com o novo dado.

Q = T + ΔU => ΔU= Q – T.