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

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
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.

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 com o aquecimento de uma massa 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:

 

Para gases perfeitos diatômicos, vale:

 

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

 

® Calor cedido (Q < 0) ou recebido (Q > 0) pelo sistema.

τ ® Trabalho realizado ( τ > 0) ou recebido ( τ < 0) pelo sistema.

Δ® 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.

(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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