Primeira lei da termodinâmica
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Primeira lei da termodinâmica

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    Primeira lei da termodinâmica Primeira lei da termodinâmica Presentation Transcript

    • Ciências da Natureza e suas Tecnologias – Física Ensino Médio, 2ª SériePrimeira lei da termodinâmica
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica A ideia de aproveitar o calor para produzir movimento (trabalho) é bem antiga. Heron de Alexandria (10 d.C. a 70 d.C.) já propunha em sua eolípila tal aproveitamento. Esta ideia ganhou a forma de máquinas Imagens: Eolípila: Katie Crisalli para a U.S. Air Force / United States public domain. térmicas e revolucionou, na segunda Heron de Alexandria: Autor desconhecido / United States public metade do século XVIII, a maneira pela domain. qual as pessoas se relacionam e produzem seus bens. Imagens: À Esquerda, Sala de máquinas penteadeiras a vapor Heilmann / Armand Kohl / Public domain. À Direita, Locomotiva a vapor / Don-kun / Public domain.
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaNo livro Física mais que divertida, do professor EduardoCampos Valadares (Ed. UFMG), encontramos umexperimento denominado “Usina Térmica”.A experiência consiste em aquecer uma lata derefrigerante contendo água e um furo na parte superior. Imagem: SEE-PE redesenhada com base emBem a frente do furo deve ser colocada uma turbina http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_0(ventoinha). 8.asp Imagem: Arturo D. Castillo / Creative Commons Attribution 3.0 Unported.
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica A força para produção de bens era braçal e bastante personalizada.O homem percebe que pode utilizar a força da água pararealização de trabalhos como a moagem de grãos.Sugerimos que pesquise sobre rodas d’água e moinhos de água. Com a máquina a vapor o homem passa a controlar a fonte de energia, sendo capaz de produzir bens em larga escala. Imagens (de cima para baixo): a - Lewis W. Hine , Yale University Art Gallery/ Public Domain; b - Roger May / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic; c – Emoscopes / GNU Free Documentation License.
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica Ao ser aquecido, o gás se expande empurrando o êmbolo para cima. Notamos que o calor fornecido ao gás produziu trabalho, ao mover o êmbolo, e fez aumentar a temperatura do gás. Isso demonstra que a energia se conservou. A energia na forma de calor transformou-se em outros tipos de energia. A primeira lei da Termodinâmica corresponde, na verdade, ao princípio da conservação da energia. Assim, o calor fornecido ou retirado (Q) de um sistema resultará na realização de trabalho (δ) e na variação da energia interna do sistema (∆U). Q = δ + ∆U Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaQuando o gás se expande, temos uma variação de volumepositiva (∆V>0). Então dizemos que o gás realizou trabalho (δ>0),pois é a força do gás que desloca o êmbolo. FQuando o gás é comprimido, temos uma variação de volumenegativa (∆V<0). Então dizemos que o trabalho foi realizado sobreo gás (δ<0), pois uma força externa desloca o êmbolo.
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaA energia interna de um gás está diretamente relacionadacom sua temperatura. Assim, uma variação na temperaturado gás indicará variação de sua energia interna (∆U). Paramoléculas monoatômicas, tem-se: 3 3 U  n R  T ΔU   n  R  ΔT 2 2 n – número de mols do gás; R – constante universal dos gases (8,31 J/mol.K); T – temperatura do gás. Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaNuma transformação isovolumétrica, todo calor recebido ou cedido (Q) pelo gás serátransformado em variação da sua energia interna (∆U) . Como não há variação devolume, também não há realização de trabalho (δ). Calor recebido Calor cedido
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaNuma transformação isotérmica,, todo calor trocado pelo gás (Q), recebido oucedido, resultará em trabalho(δ) . Uma vez que não há variação de temperatura,também não há variação de energia interna(∆U). Calor cedido Calor Recebido
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaNuma transformação adiabática,, não ocorre troca de calor (Q) do gás com seuentorno. Assim, todo trabalho(δ) realizado pelo gás (δ>0) ou sobre o gás (δ<0)resultará na variação de energia interna(∆U). Quando o trabalho é positivo (realizado pelo gás) observamos uma diminuição da temperatura. Quando o trabalho é negativo (realizado sobre o gás) observamos um aumento na temperatura. (clique para ver animação e fique atento a marcação do termômetro)
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaAo encher uma bola fazendo movimentos rápidos na bomba,notamos o aquecimento da mesma. Isto acontece porque oar, uma vez comprimido rapidamente, eleva suatemperatura.Como o processo é rápido, não há tempo para troca de calorcom o meio externo. Trata-se de uma compressãoadiabática. Um outro exemplo, contrário ao anterior, mas que ilustra o mesmo tipo de transformação, é o uso do aerossol. Ao mantê-lo pressionado por algum tempo, notamos o resfriamento da lata. A expansão do gás produz uma diminuição de sua temperatura. Trata-se de uma expansão adiabática. Imagens (de cima para baixo): a – Air pump / Priwo / Public Domain; b – Football / flomar / Public Domain; c – Aerosol / PiccoloNamek / GNU Free Documentation License.
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica Transformação Isovolumétrica Transformação Adiabática
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica01. Transfere-se calor a um sistema, num total de 200 calorias. Verifica-se que osistema se expande - realizando um trabalho de 150 joules – e sua energia internaaumenta. a) Considerando 1 cal = 4J, calcule a quantidade de energia transferida ao sistema, em joules. b) Utilizando a primeira lei da termodinâmica, calcule a variação de energia interna desse sistema. Próximo Problema
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaSe o sistema recebeu 200 calorias e 1 cal = 4Joules,então a energia recebida em Joules será... Voltar
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaO problema informa que o sistema recebeu Q=800 J e realizou um trabalho δ=150 J.Pelo que afirma o princípio da conservação de energia que corresponde á 1ª lei daTermodinâmica, todo calor trocado resultará em trabalho e variação da energia interna.Logo... Q = δ + ∆U Voltar
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica02. (Unesp 1999) Certa quantidade de um gás é mantida sob pressão constantedentro de um cilindro com o auxílio de um êmbolo pesado, que pode deslizarlivremente. O peso do êmbolo mais o peso da coluna de ar acima dele é de 400 N.Uma quantidade de 28 J de calor é, então, transferidalentamente para o gás. Neste processo, o êmbolo seeleva de 0,02 m e a temperatura do gás aumenta de20 °C.Nestas condições, determine:a) o trabalho realizado pelo gás;b) o calor específico do gás no processo, sabendo-se que sua massa é 0,5 g. Próximo ProblemaQuestão: http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26Imagem: SEE-PE redesenhada com base em http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaDe início, é preciso considerar que a pressão do gás semantém constante. Logo, a força que o gás exercesobre o êmbolo é constante e não deve ser maior que400N, pois o êmbolo deve subir lentamente. d = 0,02mCaso a força fosse maior que 400N, o êmbolo subiriaaceleradamente. Assim, a força do gás deve ser 400N eo êmbolo deverá subir com velocidade constante.Lembremos que o trabalho de uma força é calculadopor ... FOnde “F” é o valor da força e “d” o deslocamento que a 400Nforça produz.Assim temos... Voltar
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaSe o gás recebeu um calor Q=28J e efetuou um trabalho δ=8J, então podemos calcularque sua variação de energia interna (∆U) foi de ... 28 = 8 + ∆U Q = δ + ∆U 28 – 8 = ∆U ∆U = 20 JAssim, podemos afirmar que o aumento da temperatura em 20°C foi uma decorrênciado recebimento de 20 Joules de energia.Lembrando que estudamos em calorimetria sobre o calor sensível - aquele responsávelpor provocar uma variação na temperatura ( Q=m.c.∆T) - poderemos então calcular ocalor específico... Voltar
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica03. Nos últimos anos, o gás natural (GNV: gás natural veicular) vem sendo utilizado pela frota deveículos nacional, por ser viável economicamente e menos agressivo do ponto de vista ambiental.O quadro compara algumas características do gás natural e da gasolina em condições ambiente.Apesar das vantagens no uso de GNV, sua utilização implica algumas adaptações técnicas, pois,em condições ambiente, o VOLUME de combustível necessário, em relação ao de gasolina, paraproduzir a mesma energia, seria:a) muito maior, o que requer um motor muito mais potente.b) muito maior, o que requer que ele seja armazenado á alta pressão.c) igual, mas sua potência será muito menor.d) muito menor, o que o torna o veículo menos eficiente.e) muito menor, o que facilita sua dispersão para a atmosfera.
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaObserve que o texto afirma que a tabelacompara os valores da Gasolina e do GNV emcondições ambiente, logo, sujeitos à pressãoda atmosfera.Assim, em 1m³ de ambiente aberto, tem-se738 Kg de gasolina e 0,8 Kg de GNV.A tabela informa também que, em 1Kg de GNV,tem-se uma energia de 50.200 KJ, enquantoque, em 1Kg de Gasolina, tem-se uma energiabem próxima, no valor de 46.900 KJ.Para obtermos 1Kg de Gasolina será necessário um volume de... 738Kg  1m3 Já para obtermos 1Kg de GNV, será necessário um volume de... 1Kg  Vg 1 738Vg  1.1 VGNV   1,25m3 0,8 1 Vg   0,0014m3 738
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmicaEntão, para obter a mesma energia da Gasolina (em 1Kg), o volume de GNV será... 893 vezes maior que o volume da gasolina. VGNV 1,25   893 Então será necessário comprimir o GNV Vg 0,0014 (aumentar a pressão) para se ter a mesma energia em um volume menor.Assim, a alternativa que responde a questão será...b) muito maior, o que requer que ele seja armazenado á alta pressão.
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica04. Enquanto se expande, um gás recebe o calor Q=100J erealiza o trabalho δ=70J. Ao final do processo, podemos afirmarque a energia interna do gás:a) aumentou 170 J;b) aumentou 100 J;c) aumentou 30 J;d) diminuiu 70 J;e) diminuiu 30 J.05. Qual é a variação de energia interna de um gás ideal sobre o qual é realizado umtrabalho de 80J durante uma compressão isotérmica?a) 80J;b) 40J;c) Zero;d) - 40J;e) - 80J.
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica06. Um cilindro de parede lateral adiabática tem sua base emcontato com uma fonte térmica e é fechado por um êmboloadiabático pesando 100N. O êmbolo pode deslizar sem atrito aolongo do cilindro, no interior do qual existe uma certa quantidadede gás ideal. O gás absorve uma quantidade de calor de 40J dafonte térmica e se expande lentamente, fazendo o êmbolo subiraté atingir uma distância de 10cm acima da sua posição original.Nesse processo, a energia interna do gás:a) diminui 50 J;b) diminui 30 J;c) não se modifica;d) aumenta 30 J;e) aumenta 50 J.
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica07. (UFPR) Considere um cilindro de paredes termicamente isoladas, com exceção dabase inferior, que é condutora de calor. O cilindro está munido de um êmbolo de área0,01m² e peso 25N, que pode mover-se sem atrito. O êmbolo separa o cilindro em umaparte superior, onde existe vácuo, e uma parte inferior, onde há um gás ideal, com0,01mol e volume inicial de 10 litros. À medida em que o gás é aquecido, o êmbolo sobeaté uma altura máxima de 0,1m, onde um limitador de curso o impede de subir mais. Emseguida, o aquecimento prossegue até que a pressão do gás duplique. Com base nessasinformações, é correto afirmar:(01) Enquanto o êmbolo estiver subindo, o processo é isobárico;(02) Após o êmbolo ter atingido o limitador, o processo é adiabático;(04) O trabalho realizado no trecho de expansão do gás é de 2,5J;(08) A temperatura no instante inicial é igual a 402K;(16) O calor fornecido ao gás, na etapa de expansão, é utilizado pararealizar trabalho e para aumentar a temperatura do gás;(32) O trabalho realizado pelo gás durante a etapa de expansão éigual ao trabalho total realizado pelo gás desde o início doaquecimento até o momento em que o gás atinge o dobro da pressãoinicial.Soma ( )Questão: http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q=9144&t=Imagem: SEE-PE produzida com base na imagem disponível em http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q=9144&t=
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica08. Quando um gás ideal sofre uma expansão isotérmica,a) a energia recebida pelo gás na forma de calor é igual ao trabalhorealizado pelo gás na expansão;b) não troca energia na forma de calor com o meio exterior;c) não troca energia na forma de trabalho com o meio exterior;d) a energia recebida pelo gás na forma de calor é igual à variação daenergia interna do gás;e) o trabalho realizado pelo gás é igual à variação da energia interna dogás.09. Uma certa quantidade de ar contido num cilindro com pistão é comprimida adiabaticamente,realizando-se um trabalho de -1,5kJ. Portanto, os valores do calor trocado com o meio externo eda variação de energia interna do ar nessa compressão adiabática são, respectivamente,a) -1,5kJ e 1,5kJ;b) 0,0kJ e -1,5kJ;c) 0,0kJ e 1,5kJ;d) 1,5kJ e -1,5kJ;e) 1,5kJ e 0,0kJ.
    • FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio Primeira lei da termodinâmica10. A primeira lei da termodinâmica diz respeito à:a) dilatação térmica;b) conservação da massa;c) conservação da quantidade de movimento;d) conservação da energia;e) irreversibilidade do tempo.11. A Primeira Lei da Termodinâmica estabelece que o aumento da energia interna deum sistema é dado por ∆U= ∆Q-δ, no qual ∆Q é o calor recebido pelo sistema, e δ é otrabalho que esse sistema realiza.Se um gás real sofre uma compressão adiabática, então,a) ∆Q = ∆U;b) ∆Q = δ;c) δ = 0;d) ∆Q = 0;e) ∆U = 0.
    • Tabela de ImagensSlide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso 2a Eolípila: Katie Crisalli para a U.S. Air Force / http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aeolip 16/03/2012 United States public domain. ile.jpg 2b Heron de Alexandria: Autor desconhecido / http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Heron 16/03/2012 United States public domain. .jpeg 2c Locomotiva a vapor / Don-kun / Public domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DD- 16/03/2012 Oybin1088.jpg 2d Sala de máquinas penteadeiras a vapor http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Arma 16/03/2012 Heilmann / Armand Kohl / Public domain. nd_Kohl48.jpg 3a SEE-PE, Imagem produzida com base na Imagem produzida com base em 16/03/2012 imagem de Autor Desonhecido situada em http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_ http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_ 08.asp 08.asp 3b Arturo D. Castillo / Creative Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sol07. 16/03/2012 Attribution 3.0 Unported. svg 4a Lewis W. Hine , Yale University Art Gallery/ http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Makin 16/03/2012 Public Domain g_Pittsburgh_Stogies_by_Lewis_Hine.jpeg 4b Roger May / Creative Commons Attribution- http://commons.wikimedia.org/wiki/File:17th_ 16/03/2012 Share Alike 2.0 Generic Century_Water_Mill_-_geograph.org.uk_- _43368.jpg 4c Emoscopes / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Newc 16/03/2012 omen_atmospheric_engine_animation.gif 5 Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FireIc 16/03/2012 on.svg
    • Tabela de ImagensSlide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso 7 Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FireIco 16/03/2012 n.svg11a Air pump / Priwo / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Luftpu 16/03/2012 mpe-01.jpg11b Football / flomar / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Footba 16/03/2012 ll_%28soccer_ball%29.svg11c Aerosol / PiccoloNamek / GNU Free http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aeroso 16/03/2012 Documentation License. l.png16 SEE-PE, Imagem produzida com base na http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.16/03/2012 imagem de Autor Desonhecido situada em asp?origem=Unesp&curpage=26 http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular. asp?origem=Unesp&curpage=2624 SEE-PE, Imagem produzida com base na http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q 16/03/2012 imagem de Autor Desonhecido situada em =9144&t= http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q =9144&t=