Resumo do Conteúdo. 1ª Lei da Termodinâmica

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1 SECRETARIA DE SEGURANÇA PÚBLICA/SECRETARIA DE EDUCAÇÃO POLÍCIA MILITAR DO ESTADO DE GOIÁS COMANDO DE ENSINO POLICIAL MILITAR COLÉGIO DA POLÍCIA MILITAR SARGENTO NADER ALVES DOS SANTOS SÉRIE/ANO: 2º TURMA(S): A e B DISCIPLINA: Física Moderna PROFESSOR (A): Mariana Tavares de Melo ALUNO (A): Nº Resumo do Conteúdo. DATA: 02 / 09 / 2016 L i s t a d e A t i v i d a d e s ( 2, 0 ) 1ª Lei da Termodinâmica Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica, o princípio da conservação de energia aplicada à termodinâmica, o que torna possível prever o comportamento de um sistema gasoso ao sofrer uma transformação termodinâmica. Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas armazená-la ou transferi-la ao meio onde se encontra, como trabalho, ou ambas as situações simultaneamente, então, ao receber uma quantidade Q de calor, esta poderá realizar um trabalho e aumentar a energia interna do sistema ΔU, ou seja, expressando matematicamente: Analisando o princípio da conservação de energia ao contexto da termodinâmica: Sendo todas as unidades medidas em Joule (J). Conhecendo esta lei, podemos observar seu comportamento para cada uma das grandezas apresentadas: Calor Trabalho Energia Interna Q/ /ΔU Recebe Realiza Aumenta >0 Cede Recebe Diminui <0 não troca Exemplo: não realiza e nem recebe não varia =0 (1) 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? 2ª Lei da Termodinâmica Dentre as duas leis da termodinâmica, a segunda é a que tem maior aplicação na construção de máquinas e utilização na indústria, pois trata diretamente do rendimento das máquinas térmicas. Dois enunciados, aparentemente diferentes ilustram a 2ª Lei da Termodinâmica, os enunciados de Clausius e Kelvin-Planck: Enunciado de Clausius: O calor não pode fluir, de forma espontânea, de um corpo de temperatura menor, para um outro corpo de temperatura mais alta. Tendo como consequência que o sentido natural do fluxo de calor é da temperatura mais alta para a mais baixa, e que para que o fluxo seja inverso é necessário que um agente externo realize um trabalho sobre este sistema. Enunciado de Kelvin-Planck: É impossível a construção de uma máquina que, operando em um ciclo termodinâmico, converta toda a quantidade de calor recebido em trabalho. Este enunciado implica que, não é possível que um dispositivo térmico tenha um rendimento de 100%, ou seja, por menor que seja, sempre há uma quantidade de calor que não se transforma em trabalho efetivo. 1 de 6

2 Maquinas térmicas As máquinas térmicas foram os primeiros dispositivos mecânicos a serem utilizados em larga escala na indústria, por volta do século XVIII. Na forma mais primitiva, era usado o aquecimento para transformar água em vapor, capaz de movimentar um pistão, que por sua vez, movimentava um eixo que tornava a energia mecânica utilizável para as indústrias da época. Chamamos máquina térmica o dispositivo que, utilizando duas fontes térmicas, faz com que a energia térmica se converta em energia mecânica (trabalho). Rendimento das máquinas térmicas Podemos chamar de rendimento de uma máquina a relação entre a energia utilizada como forma de trabalho e a energia fornecida: Considerando: =rendimento; = trabalho convertido através da energia térmica fornecida; =quantidade de calor fornecida pela fonte de aquecimento; A fonte térmica fornece uma quantidade de calor que no dispositivo transforma-se em trabalho mais uma quantidade de calor que não é capaz de ser utilizado como trabalho. =quantidade de calor não transformada em trabalho. Assim é válido que: Mas como constatado: Utiliza-se o valor absolutos das quantidade de calor pois, em uma máquina que tem como objetivo o resfriamento, por exemplo, estes valores serão negativos. Neste caso, o fluxo de calor acontece da temperatura menor para o a maior. Mas conforme a 2ª Lei da Termodinâmica, este fluxo não acontece espontaneamente, logo é necessário que haja um trabalho externo, assim: logo, podemos expressar o rendimento como: O valor mínimo para o rendimento é 0 se a máquina não realizar nenhum trabalho, e o máximo 1, se fosse possível que a máquina transformasse todo o calor recebido em trabalho, mas como visto, isto não é possível. Para sabermos este rendimento em percentual, multiplica-se o resultado obtido por 100%. 2 de 6

3 Exemplo: Um motor à vapor realiza um trabalho de 12kJ quando lhe é fornecido uma quantidade de calor igual a 23kJ. Qual a capacidade percentual que o motor tem de transformar energia térmica em trabalho? Uma expansão adiabática reversível. O sistema não troca calor com as fontes térmicas (M-N) Uma compressão isotérmica reversível. O sistema cede calor para a fonte de resfriamento (N-O) Uma compressão adiabática reversível. O sistema não troca calor com as fontes térmicas (O-L) Numa máquina de Carnot, a quantidade de calor que é fornecida pela fonte de aquecimento e a quantidade cedida à fonte de resfriamento são proporcionais às suas temperaturas absolutas, assim: Ciclo de Carnot Assim, o rendimento de uma máquina de Carnot é: Até meados do século XIX, acreditava-se ser possível a construção de uma máquina térmica ideal, que seria capaz de transformar toda a energia fornecida em trabalho, obtendo um rendimento total (100%). Logo: e Para demonstrar que não seria possível, o engenheiro francês Nicolas Carnot ( ) propôs uma máquina térmica teórica que se comportava como uma máquina de rendimento total, estabelecendo um ciclo de rendimento máximo, que mais tarde passou a ser chamado Ciclo de Carnot. Este ciclo seria composto de quatro processos, independente da substância: Sendo: = temperatura absoluta da fonte de resfriamento = temperatura absoluta da fonte de aquecimento Com isto se conclui que para que haja 100% de rendimento, todo o calor vindo da fonte de aquecimento deverá ser transformado em trabalho, pois a temperatura absoluta da fonte de resfriamento deverá ser 0K. Partindo daí conclui-se que o zero absoluto não é possível para um sistema físico. Uma expansão isotérmica reversível. O sistema recebe uma quantidade de calor da fonte de aquecimento (L-M) Exemplo: 3 de 6

4 Qual o rendimento máximo teórico de uma máquina à vapor, cujo fluido entra a 560ºC e abandona o ciclo a 200ºC? Atividades: Questão 1(UFRS-RS) Em uma transformação termodinâmica sofrida por uma amostra de gás ideal, o volume e a temperatura absoluta variam como indica o gráfico a seguir, enquanto a pressão se mantém igual a 20 N/m 2. gráfico p V. No trecho AB a transformação é isotérmica. Analise as afirmações: ( ) A pressão no ponto A é 2, N/m 2. Sabendo-se que nessa transformação o gás absorve 250 J de calor, pode-se afirmar que a variação de sua energia interna e de? Questão 2. (UFAL) Um gás sofre a transformação termodinâmica cíclica ABCA representada no ( ) No trecho AB o sistema não troca calor com a vizinhança. ( ) No trecho BC o trabalho é realizado pelo gás e vale 2, J. ( ) No trecho CA não há realização de trabalho. Questão 3. Enem (2009) A invenção da geladeira proporcionou uma revolução no aproveitamento dos alimentos, ao permitir que fossem armazenados e transportados por longos períodos. A figura apresentada ilustra o processo cíclico de funcionamento de uma geladeira, em que um gás no interior de uma tubulação é forçado a circular entre o congelador e a parte externa da geladeira. É por meio dos processos de compressão, que ocorre na parte externa, e de expansão, que ocorre na parte interna, que o gás proporciona a troca de calor entre o interior e o exterior da geladeira. Ilustração dos componentes necessários para o funcionamento da geladeira Disponível em: Acesso em: 19 out (adaptado). Nos processos de transformação de energia envolvidos no funcionamento da geladeira, 4 de 6

5 a) a expansão do gás é um processo que cede a energia necessária ao resfriamento da parte interna da geladeira. b) o calor flui de forma não espontânea da parte mais fria, no interior, para a mais quente, no exterior da geladeira. c) a quantidade de calor cedida ao meio externo é igual ao calor retirado da geladeira. d) a eficiência é tanto maior quanto menos isolado termicamente do ambiente externo for o seu compartimento interno. e) a energia retirada do interior pode ser devolvida à geladeira abrindo-se a sua porta, o que reduz seu consumo de energia. sabendo que a Energia interna do sistema antes de receber calor era U=100J, qual será esta energia após o recebimento? Questão 6. Qual o rendimento de uma máquina térmica que retira de uma fonte quente 200 cal e passa para uma fonte fria 50 cal Questão 7: ) O rendimento de uma máquina térmica de Carnot é de 25% e a fonte fria é a própria atmosfera a 27 C. Determinar a temperatura da fonte quente. Questão 8: Uma máquina térmica recebe de uma fonte quente 100 cal e transfere para uma fonte fria 70 cal. Qual o rendimento desta máquina? Questão 9. Uma transformação é dada pelo gráfico abaixo: Questão 4.Enem (2009) 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 quer 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 da a) liberação de calor dentro do motor ser impossível. b) realização de trabalho pelo motor ser incontrolável. Qual o trabalho realizado por este gás? Questão 10. Qual a energia interna de 1,5 mols de um gás perfeito na temperatura de 20 C? Considere R=8,31 J/mol.K. Questão 11. O gráfico abaixo ilustra uma transformação 100 moles de gás ideal monoatômico recebem do meio exterior uma quantidade de calor J. Dado R=8,32 J/mol.K. 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. Questão 5. Ao receber uma quantidade de calor Q=50J, um gás realiza um trabalho igual a 12J, 5 de 6

6 Determine: a) o trabalho realizado pelo gás; b) a variação da energia interna do gás; c) a temperatura do gás no estado A. Questão 12. Em uma máquina térmica são fornecidos 3kJ de calor pela fonte quente para o início do ciclo e 780J passam para a fonte fria. Qual o trabalho realizado pela máquina, se considerarmos que toda a energia que não é transformada em calor passa a realizar trabalho? Questão 13. ) (Olimpíada Brasileira de Física) Assinale a seguir a alternativa que não é compatível com a segunda lei da Termodinâmica. a) A variação de entropia de qualquer sistema que sofre uma transformação termodinâmica é sempre positiva ou nula. b) A temperatura de zero absoluto é inatingível. c) Um refrigerador com a porta aberta jamais conseguirá por si só esfriar uma cozinha fechada. d) Nem todo calor produzido no motor a combustão de um automóvel é convertido em trabalho mecânico. e) O ar de uma sala de aula jamais se concentrará completa e espontaneamente em uma pequena fração do volume disponível. 6 de 6