Termodinâmica I
1. Noções Iniciais
Termodinâmica é a ciência que estuda a relação entre calor e trabalho trocados por um sistema com o meio externo e a relação entre essas trocas e as propriedades do sistema.
Sistema isolado é aquele que não troca energia (fisicamente isolado) nem matéria (quimicamente isolado) com o meio externo.
Trabalho externo de um sistema é aquele que o sistema troca com o meio externo.
No nosso estudo, sempre que falarmos em trabalho de um sistema, subentenderemos o trabalho externo do sistema.
2. Trabalho de um Sistema numa Transformação Qualquer
Consideremos um sistema passando do estado (1) para o estado (2), conforme a transformação indicada no gráfico abaixo.
Pode-se demonstrar que:
| (numericamente) |
A área no diagrama (p, V) (dia grama de Clapeyron) de qual quer transformação sofrida por um sistema mede o trabalho que o sistema troca com o meio nesta transformação.
Quando há um aumento de volume do sistema, então este está deslocando o meio (está “empurrando" o meio). Neste caso, o sistema realiza trabalho sobre o meio.
Quando há uma diminuição de volume do sistema, então é o meio que está deslocando o sistema. Neste caso, o meio realiza trabalho sobre o sistema ou o sistema recebe trabalho do meio.
Resumindo:
Volume aumenta Volume diminui Volume constante |
Observando o diagrama abaixo, verificamos que o sistema, ao passar de (1) para (2), realiza trabalhos diferentes quando o faz seguindo “caminhos" diferentes.
 I > II > III |
Podemos concluir que:
O trabalho de um sistema, ao passar de um estado (1) para um estado (2), não depende apenas dos estados inicial e final, mas também dos estados intermediários.
3. Trabalho de um Sistema num Ciclo (Transformação Fechada)
Consideremos um sistema percorrendo o ciclo indicado no gráfico a seguir, saindo de (1), indo para (2) e voltando ao estado (1). Analisa remos o trabalho do sistema em cada uma das transformações e, em seguida, no ciclo.
Transformação de (1) para (2)
Nesta transformação, o sistema realiza trabalho (volume aumenta); o trabalho é dado, numericamente, pela área A1.
Transformação de (2) para (1)
Nesta transformação, o sistema recebe trabalho (volume diminui); o trabalho é dado, numericamente, pela área A2.
Ciclo fechado
Ao percorrer o ciclo, o sistema realiza o trabalho A1 e recebe de volta o trabalho A2. Portanto, o saldo de trabalho trocado pelo sistema com o meio, ao percorrer o ciclo, é dado pela área A = A1 – A2 interna ao ciclo.
Assim:
 | |
| |
| (numericamente) |
Observemos que:
– se o ciclo é percorrido no sentido horário (como o da figura), A1 é maior que A2 e o sistema realiza trabalho ao percorrer o ciclo;
– se o ciclo é percorrido no sentido anti-horário (ao contrário do da figura), A1 é menor que A2 e o sistema recebe trabalho ao percorrer o ciclo.
Resumindo:
Sentido horário  sistema realiza trabalho ( > 0).Sentido anti-horário sistema recebe trabalho ( < 0). |
Exercícios Propostos
1. (FUVEST-2019) – No diagrama P x V da figura, A, B e C representam transformações possíveis de um gás entre os estados I e II.
Com relação à variação 
U da energia interna do gás e ao trabalho W por ele realizado, entre esses estados, é correto afirmar que
a) UA = UB = UC e WC > WB > WA
b) UA > UC > UB e WC = WA < WB
c) UA < UB < UC e WC > WB > WA
d) UA = UB = UC e WC = WA > WB
e) UA > UB > UC e WC = WB = WA
2. (FAMERP-2018) – Certa massa de gás ideal sofre a transformação cíclica 1-2-3-4-5-1 representada no diagrama de pressão (P) e volume (V).
O trecho em que a força exercida pelo gás realiza o maior trabalho é
a) 2-3.
b) 4-5.
c) 3-4.
d) 1-2.
e) 5-1.
3. (FGV-2018-MODELO ENEM) – Estamos passando por uma fase de grande evolução tecnológica. O aperfeiçoamento das máquinas e motores é evidente e, dentro em breve, o motor térmico será considerado peça de museu. Considere, no entanto, um motor térmico que realiza um ciclo representado qualita tivamente pelo gráfico da pressão (p) versus volume (V) da figura, em que sua frequência de giro é f.
Com esses dados, a potência efetiva desse motor será dada por
a) Pote = f . [(V2 – V1) + (V3 – V2)] . (p2 – p1)
b) Pote = f . [(V2 – V1) + (V3 – V2)] . (p2 – p1)/2
c) Pote = 2 . f . [(V2 – V1) + (V3 – V2)] . (p2 – p1)
d) Pote = [(V2 – V1) + (V3 – V2)] . (p2 – p1)/f
e) Pote = 2 . [(V2 – V1) + (V3 – V2)] . (p2 – p1)/f
4. (VUNESP-CEFSA-2018-MODELO ENEM) – A figura mostra uma representação da famosa experiência de Joule, que comprova a conversão de energia mecânica em energia térmica.
À medida que um peso, inicialmente em repouso, desce uma altura h de A para B, o fio em que ele está amarrado faz girar pás imersas em uma quantidade de água contida em um calorímetro. Sendo a massa do peso igual a 10kg, aceleração da gravidade com módulo g = 10m/s2, massa da água contida no calorímetro 100g e calor específico sensível da água 
e considerando-se que a transferência de energia mecânica para térmica é completa, a elevação da temperatura da água registrada no termômetro T, quando o peso desce h = 10 metros, é de:
a) 0,5°C
b) 1,0°C
c) 1,5°C
d) 2,0°C
e) 2,5°C.
Gabarito
1. RESOLUÇÃO:
A variação da energia interna U, função da variação da temperatura T = TII – TI, entre os estados I e II, é igual para as três transformações, que ocorrem entre TI e TII. Assim:
UA = UB = UC
Os trabalhos WA, WB e WC são calculados, numericamente, pelas áreas sob os gráficos da pressão P em função do volume V.
Por comparação das áreas, conclui-se que:
WC > WB > WA
Resposta: A
2. RESOLUÇÃO:
O trabalho realizado pela força do gás é numeri camente igual à área da figura formada entre o gráfico e o eixo do volume V.
O trecho que preenche o requisito de maior trabalho é o trecho 1-2, pois definirá a maior área sob o gráfico.
Resposta: D
3. RESOLUÇÃO:
(I) Cálculo do trabalho τ do gás ao realizar um ciclo durante um intervalo de tempo T.
Resposta: B
4. RESOLUÇÃO:
Ep = Q
mgH = mcq
10 . 10 . 10 = 0,10 . 4,0 . 103 . q
q = 2,5°C
Resposta: E
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