A primeira lei da Termodinâmica e as transformações gasosas II
1. A Física e o cotidiano
Por que a gasolina, o óleo diesel e o querosene, que apresentam calores de combustão próximos de 11000kcal/kg, produzem, respectivamente, para os motores do automóvel, do caminhão e do avião a jato, rendimentos tão diferentes?
Os principais motores térmicos que conhecemos operam entre temperaturas semelhantes (900°C para a combustão e 30°C ao redor da máquina) para movimentar pistões presos a manivelas ou turbinas sugadoras de ar e propulsoras de gases em alta velocidade.
| Motor a explosão |
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Explosões ritmadas do combustível e a inércia de rotação do motor
provocam o movimento de sobe e desce do pistão e o circular do eixo de
manivelas, que é transmitido para as rodas dos veículos terrestres e hélices
dos aquáticos e das aeronaves. |
| Turbina a jato |
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| Turbina a jato |
Tanto no motor como na turbina, o rendimento h é calculado pela relação entre o trabalho τ e o calor produzido na combustão Q: 
2. A Física e o mundo
Como explicar que áreas iguais da Terra são aquecidas de forma diferente pelo Sol?
Sendo a Terra esférica, os raios incidem perpendicularmente somente nas regiões próximas ao Equador, onde a incidência de energia solar se concentra.
A face da Terra voltada para o Sol está absorvendo e emitindo radiação, enquanto a outra somente emite. A rotação provoca alternância diária destas faces.
Áreas iguais (A) no Equador e nas altas latitudes recebem radiação térmica do Sol de maneiras diferentes e a energia absorvida em certo intervalo de tempo Dt é calculada por:
| E = I . A . Δt |
A insolação I é a intensidade da radiação em W/m2, que no Brasil vale, em média, 1000W/m2, 400W/m2 no norte da Europa e 2000W/m2 nos principais desertos quentes do planeta.
O fato de a Terra ficar mais próxima ou distante do Sol é a causa das estações do ano?
Não. O afélio e o periélio não são causa das estações do ano mas sim a inclinação de aproximadamente 23° do eixo de rotação da Terra. A inclinação do eixo de rotação da Terra em relação ao plano da trajetória por ela descrita (chamado de plano da eclíptica) é também outro condicionante do aquecimento desigual e dá origem às estações do ano. Enquanto em um hemisfério é verão e os dias são mais longos, no outro hemisfério é inverno e as noites são mais longas que os dias.
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Converse com seu professor de Geografia sobre o aquecimento solar e as estações do ano para complementar os comentários efetuados nesta seção. |
Pelo fato de haver regularidade no aquecimento global, os movimentos de ar se repetem regularmente, constituindo ciclos de ar diários ou anuais.
Os ventos que sopram dos Polos Norte e Sul da Terra em direção ao Equador são diários. As estações estão associadas a ciclos atmosféricos anuais.
| Os professores de Química, Biologia e Geografia podem acrescentar informações de como o homem pode alterar a termodinâmica da atmosfera. Converse com eles. |
3. A Física e o laboratório
Como relacionar o movimento com o calor?
A experiência de Joule relaciona a energia mecânica envolvida no movimento de um corpo de massa M com o aquecimento de uma massa m de água.
Minimizando os atritos e os momentos de inércia das polias e dos agitadores de água,é possível considerar que:
Medidas repetidas e precisas podem levar ao resultado E = 4,18J/cal
4. A Física e a evolução de seus conceitos
Termodinâmica
Cálculo do trabalho
a) Transformação qualquer
| τn = área do diagrama (p x V) |
Se V aumenta ⇒ sistema realiza τ ( τ > 0). Se V diminui ⇒ sistema recebe τ ( τ < 0). Se V = cte ⇒ τ = 0. |
b) Transformação isobárica (p = cte)
| τp = p ΔV = n R ΔT |
Energia interna (U)
A energia interna de um sistema é o somatório toda a energia existente no sistema.
Regra:
Se T aumenta ⇒ U aumenta. Se T diminui ⇒ U diminui. Se T = cte ⇒ U = cte e ΔU = 0. |
Exceção: Nas mudanças de estado.
Para gases perfeitos monoatômicos, vale:
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Para gases perfeitos diatômicos, vale:
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Lei de Joule
| “A energia interna de uma dada massa gasosa depende exclusivamente da temperatura." |
Propriedade
| A energia interna é função de ponto. |
Portanto
| A variação de energia interna não depende dos estados intermediários. |
1.o princípio da termodinâmica
É o princípio da conservação da energia aplicado à termodinâmica.
| Q = τ + ΔU |
Q ® Calor cedido (Q < 0) ou recebido (Q > 0) pelo sistema.
τ ® Trabalho realizado ( τ > 0) ou recebido ( τ < 0) pelo sistema.
ΔU ® Variação de energia interna do sistema.
Exercícios Propostos
1. (UNIRIO-RJ) – O gráfico mostra uma transformação ABC sofrida por certa massa de gás ideal (ou perfeito), partindo da temperatura inicial 300K.
A temperatura do gás no estado C (em Celsius) e o trabalho realizado pelo gás na transformação AB, em joules, valem, respectivamente:
a) 375 e 100.
b) 375 e 60.
c) 102 e 40.
d) 102 e 100.
e) 102 e 20.
(MODELO ENEM) – Para responder às questões de números 2 e 3 veja a figura e leia a descrição a seguir.
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| (www.perdiamateria.eng.br/Nom ns/es/ImageJoule.gi) |
Uma importante experiência da Termodinâmica foi realizada em 1849, pelo físico James P. Joule, que mostrou que para se obter uma caloria é necessário produzir 4,2 joules de trabalho. Ele preencheu, com água, um recipiente isolado termicamente, contendo um conjunto de pás ligadas a um eixo. Uma corda enrolada em volta do eixo passa por polias e sustenta dois pesos, como mostra a figura. Ao descerem com velocidade constante, os pesos fazem girar o conjunto de pás, e o atrito das pás aquece a água.
2. Considere que a energia mecânica perdida na queda dos pesos seja convertida integralmente em calor. Se a temperatura de 500g de água nessa experiência for elevada de 1,0°C, sendo o calor específico sensível da água 1,0 cal/g °C, a energia potencial gravitacional perdida pelos pesos na queda é de
a) 600J
b) 1200J
c) 2100J
d) 3600J
e) 4200J
3. Na experiência de Joule, a temperatura da água contida no recipiente isolado adiabaticamente é aumentada porque
a) ela foi colocada em contato térmico com um corpo mais quente, aumentando a velocidade das suas moléculas.
b) a energia mecânica perdida pelos pesos na queda é transferida ao eixo que faz girar o conjunto de pás, aumentando a energia cinética das moléculas de água.
c) a água realiza trabalho sobre o conjunto de pás acoplado ao eixo girante, aumentando sua energia potencial.
d) o calor recebido pela água, assim como o eixo que faz girar o conjunto de pás, aumentam a energia cinética das moléculas de água.
e) a água realiza trabalho mecânico sobre o eixo girante, aumentando sua energia potencial gravitacional.
4. (VUNESP-MODELO ENEM) – Com o objetivo de ilustrar a aplicação da primeira lei da termodinâmica, ou princípio da conservação da energia, um professor propôs o seguinte problema a seus alunos: um recipiente fechado tem um êmbolo móvel que pode deslizar sem atrito. Uma amostra de certo gás contido nesse recipiente recebe 200 J de calor de uma fonte térmica e sofre uma expansão, realizando 80 J de trabalho. Nessa transformação, é correto afirmar que a energia interna do gás
a) aumenta de 200 J.
b) aumenta de 80 J.
c) permanece constante.
d) aumenta de 120 J.
e) aumenta de 280 J.
Gabarito
1. RESOLUÇÃO:
TC = 375K ⇒ qC = 102°C
τAB = [área]
Resposta: D
2. RESOLUÇÃO:
Calor recebido pela água:
Q = mc Dq
Q = 500 . 1 . 1 (cal)
Q = 500cal
Transformação de calorias para joules:
Q = 500cal = (500 . 4,2) J
Q = 2100 J
Resposta: C
3. RESOLUÇÃO:
1) Os “pesos" caem, perdendo energia potencial.
2) Essa energia potencial é transformada em rotação das pás (energia cinética), que estão imersas na água.
3) As pás transferem essa energia de rotação para as moléculas da água, aumentando a agitação, o que aumenta a temperatura do líquido.
Resposta: B
4. RESOLUÇÃO:
Aplicando-se a 1a lei da termodinâmica, temos:
Q = τ + DU
Assim:
200 = 80 + DU
DU = 120 J
Atenção que:
Calor recebido ® Q > 0
Trabalho realizado ® τ > 0
Aumento de energia interna ® DU > 0
Portanto, a energia interna do sistema aumenta de 120 J.
Resposta: D
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