A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA E AS TRANSFORMAÇÕES GASOSAS I

 A primeira lei da Termodinâmica e as transformações gasosas I

1. A Física e o cotidiano

A Termodinâmica está presente no mundo natural, na vida cotidiana e na tecnologia.

O Sol é nossa maior fonte de energia, o ciclo da água e os motores veiculares são máquinas térmicas e a geladeira permite a estocagem de alimentos.

O calor pode produzir um movimento macroscópico do sistema, representado por uma variação de volume e pelo trabalho, além de um movimento microscópico, revelado pelas variações da agitação molecular, da temperatura e da energia interna.

CALOR = TRABALHO + VARIAÇÃO DA ENERGIA INTERNA ® Q = τ + ΔU

 

2. A Física e o mundo

As máquinas térmicas construídas pelos cientistas e engenheiros, em geral, utilizam pistões para movimentar manivelas, eixos e turbinas nos motores e compressores de gás refrigerador em geladeiras. Os interiores dessas máquinas são representados abaixo:

Compressor de refrigerador.

		Bico injetor
1 - Admissão	2 - Compressão	3 - Combustão	4 - Escape
Motor a diesel.

Motor a vapor das antigas locomotivas

Assim, de maneira pejorativa, a Termodinâmica é chamada de a “Física do pistão".

O pistão comprime ou expande os fluidos termodinâmicos, como gases de combustão ou refrigerantes, que podem ter suas temperaturas aumentadas ou diminuídas.

Além disso, a Termodinâmica está presente no movimento do ar atmosférico, das águas dos oceanos, do magma e do plasma entre as estrelas que explica a origem e a evolução delas.

Massas de Ar: Mundo
Climas e Correntes Marítimas

 

 

Scientific American

 

A movimentação interna do material magmático, gera processos como a EPIROGÊNESE – movimentos verticais de grande envergadura, responsáveis pela formação dos continentes – e a OROGÊNESE, que são movimentos horizontais, responsáveis pela formação de montanhas. Associam-se a eles outros processos tectônicos como os dobramentos, as falhas, o vulcanismo e os terremotos.

Evolução estelar

 

O corpo humano não é uma máquina térmica, mas a descoberta de que ele oxida alimentos, produzindo a mesma energia da queima total desses alimentos foi fundamental para o entendimento do metabolismo dos seres vivos. A física térmica deu o sentido da flecha do tempo que envolve o nascimento, o desenvolvimento e a morte dos animais e vegetais.

Aplicações de ciências Fluido-térmicas
Corpo humano	Sistemas de ar-condicionado	Aviões
Radiadores de carro	Usinas termelétricas	Sistemas de refrigeração

3. A Física e a evolução de seus conceitos

A primeira lei da Termodinâmica e as transformações gasosas

Os gases perfeitos ou ideais constituem sistemas de muitas partículas e, em suas transformações, estão sujeitos à conservação da energia, expressa e operacionalizada pela primeira lei da Termodinâmica, da seguinte maneira:

Expressões e termos importantes da Termodinâmica das transformações gasosas

 

Processo endotérmico – o sistema recebe calor (Q > 0).

Processo exotérmico – o sistema libera calor (Q < 0).

Processo adiabático – o sistema não troca calor com o meio externo ou ocorre tão rapidamente a ponto de não permitir essa troca (Q = 0).

Processo isotérmico – a temperatura é constante em todos os pontos ou a transformação é tão lenta que não altera a agitação das partículas (ΔU = 0).

Expansão – aumento de volume (ΔV > 0) e realização de trabalho (τ > 0).

Compressão – diminuição de volume (ΔV < 0) e recebimento de trabalho (τ < 0).

Aquecimento – aumento de temperatura (ΔT > 0) e de energia interna (ΔU > 0).

Resfriamento – diminuição de temperatura (ΔT < 0) e de energia interna (ΔU < 0).

Transformações gasosas e a 1ª lei da Termodinâmica

Transformação gasosa	Lei da transformação gráficos	Calor Q	=
Isobárica (p constante)		Q ¹ 0 Q = nCpDT
Isotérmica (T constante ou muito lenta)		Q ¹ 0
Isométrica, isovolumétrica ou isocórica (V constante)		Q ¹ 0 Q= nCV DT
Adiabática (isolada do ambiente externo ou muito rápida)		Q = 0

 

Trabalho τ (área do gráfico p x V)	+	Variação da energia interna  (gás monoatômico)	Observações e exemplos
t ¹ 0 t = p . DV		DU ¹ 0  (gás monoatômico)	Num aquecimento isobárico, o volume e a temperatura sempre aumentam (DV > 0 e DT > 0)
t ¹ 0		DU = 0 (DT = 0)	Q = t O calor absorvido pelo gás é usado na realização de trabalho
t = 0 (DV = 0)		ΔU ¹ 0	Q = DU Não há troca de trabalho com o meio externo e o calor provoca exclusivamente variação da energia interna
t ¹ 0		ΔU ¹ 0	t = –DU O trabalho realizado corresponde à diminuição da energia interna

Exercícios Propostos 

1. (FATEC) – Haverá trabalho realizado sempre que uma massa gasosa

a) sofrer variação em sua pressão.

b) sofrer variação em seu volume.

c) sofrer variação em sua temperatura.

d) receber calor de fonte externa.

e) sofrer variação de energia interna.

2. (FUVEST-SP) – A figura a seguir é o gráfico da expansão de um gás perfeito à temperatura constante. Qual das afirmações é verdadeira?

a) A curva do gráfico é uma isobárica.

b) A área sombreada do gráfico representa o trabalho realizado pelo gás ao se expandir.

c) A área sombreada do gráfico representa o trabalho realizado por um agente sobre o gás para se expandir.

d) A curva do gráfico é uma isocórica.

e) A temperatura varia ao longo da curva.

3. (UFPE) – Um mol de um gás ideal passa por transformações termodinâmicas indo do estado A para o estado B e, em seguida, o gás é levado ao estado C, pertencente à mesma isoterma de A. Calcule a variação da energia interna do gás, em joules, ocorrida quando o gás passa pela transformação completa ABC.

A variação da energia interna do gás, em joules, ocorrida quando o gás passa pela transformação completa ABC vale:

a) zero 

b) 12 

c) 24 

d) 37 

e) 75

4. Um gás, mantido a volume constante, recebe 240J de calor do meio ambiente.

O trabalho realizado pelo gás e sua variação da energia interna serão, respectivamente:

a) 240J e zero

b) zero e 240J

c) 120J e 120J

d) zero e 120J

e) –240J e 240J

5. (UFBA) – As expressões abaixo se referem às propriedades das transformações termodinâmicas, relacionando Q (quantidade de calor recebida pelo sistema), τ (trabalho realizado pelo sistema) e ΔU (variação de energia interna):

a) Q = 0 e τ = –ΔU

b) Q = ΔU e τ = 0

c) Q = 0 e τ = ΔU

d) Q = τ e ΔU = 0

e) Q > 0, ΔU > 0 e τ > 0

6. (UFSCar-SP-MODELO ENEM) – Mantendo uma estreita abertura em sua boca, assopre com vigor sua mão agora! Viu? Você produziu uma transformação adiabática! Nela, o ar que você expeliu sofreu uma violenta expansão, durante a qual

a) o trabalho realizado correspondeu à diminuição da energia interna desse ar, por não ocorrer troca de calor com o meio externo.

b) o trabalho realizado correspondeu ao aumento da energia interna desse ar, por não ocorrer troca de calor com o meio externo.

c) o trabalho realizado correspondeu ao aumento da quantidade de calor trocado por esse ar com o meio, por não ocorrer variação da sua energia interna.

d) não houve realização de trabalho, uma vez que o ar não absorveu calor do meio e não sofreu variação de energia interna.

e) não houve realização de trabalho, uma vez que o ar não cedeu calor para o meio e não sofreu variação de energia interna.

Gabarito Exercícios Propostos 

1. RESOLUÇÃO 

O trabalho termodinâmico τ é caracterizado pela variação macroscópia das dimensões do sistema, ou seja, variação do volume.

Resposta: B

2. RESOLUÇÃO 

área do gráfico fornece o trabalho realizado pelo gás com o aumento do volume de V₁ para V₂.

Resposta: B

3. Resolução:

ΔU_AC = U_C – U_A

ΔU =  nR (T_C – T_A)

Como: T_C = T_A (mesma isoterma)

Então: ΔU = 0

Resposta: A

4. RESOLUÇÃO

Volume constante (isométrica): τ = 0

Q = τ + ΔU

240 = 0 + ΔU

ΔU = 240J

Resposta: B

5. RESOLUÇÃO 

Na transformação isométrica não há variação do volume (ΔV = 0) e o trabalho é nulo (τ = 0).

Pela 1^a. Lei da Termodinâmica, vem:

Q = τ + ΔU

Q = 0 + ΔU

Q = ΔU e τ = 0

Resposta: B

6. RESOLUÇÃO 

Na violenta expansão, o ar expelido realiza trabalho (contra o ar externo) adiabaticamente (sem trocas de calor com o ambiente), às expensas de sua energia interna. Assim, o ar expelido esfria-se.

Resposta: A