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FÍSICA TERMODINÂMICA
OBJETIVOS <ul><li>Variáveis de estado </li></ul><ul><li>Equação de Clapeyron </li></ul><ul><li>Equação geral dos gases per...
POR QUE É MELHOR COZINHAR O FEIJÃO NA PANELA DE PRESSÃO?
GÁS IDEAL  Gás ideal é aquele que tem o mesmo volume do recipiente que o contém.
VARIÁVEIS DE ESTADO <ul><li>Para definir o estado de um gás é necessário usar as variáveis de estado: </li></ul><ul><li>Pr...
UNIDADES <ul><li>Pressão </li></ul><ul><li>N/m 2  (sistema internacional), atm (usual) </li></ul><ul><li>Volume </li></ul>...
EQUAÇÃO DE CLAPEYRON <ul><li>Essa equação relaciona as três variáveis de estado. </li></ul><ul><li>p V  =  nRT </li></ul><...
EXEMPLO <ul><li>(CEFET-RJ 2003 – 1a FASE)  Uma bola de vôlei possui ar no seu interior, sob pressão de 2,5 atm. Quando a b...
RESOLUÇÃO PV = n R T    RT =     m F  = 0,2 . m 0 m escapou  = 0,8m 0  = 80% m 0 Gabarito:  E
EQUAÇÃO GERAL DOS GASES Quando um gás sofre uma transformação, mudando suas variáveis de estado sem que seja alterado o nu...
EXERCÍCIO (FUVEST-SP- ADAPTADO)  A figura abaixo representa um cilindro com êmbolo móvel de massa m = 20 Kg e área S = 100...
RESOLUÇÃO p 1  = p 2  V 1 = 2,4  l  T 1  = 27°C = 300 K V 2  = ?  T 2 = 127°C = 400 K V 1 =  V 2   2,4  =  V 2   V 2  =  2...
 
TRABALHO REALIZADO POR  UM GÁS W = p(V F  – V I ) W = p  V   Gás Gás
<ul><li>W  positivo  (  V > 0)     o gás se expande (trabalho realizado pelo gás) </li></ul><ul><li>W  negativo  (  V ...
EXEMPLO (FUVEST-SP- ADAPTADO)  A figura abaixo representa um cilindro com êmbolo móvel de massa m = 20 Kg e área S = 100 c...
RESOLUÇÃO V 1 = 2,4  l  V 2  = 3,2  l    V = 0,8  l  = 8 . 10 -4  m 3 p =  10 5  N/m 2 W = p  V W = 10 5  . 8.10 -4 W=...
EXERCÍCIO (UNICAMP-SP)  O volume de um mol de gás ideal varia linearmente em função da temperatura, conforme o gráfico aba...
RESOLUÇÃO Vo = 15     = 15 . 10 -3  m 3 2Vo = 30    = 30 . 10 -3  m 3 To = 300 K  2To = 600 K Área do trapézio = (B+b).h...
ENERGIA INTERNA  <ul><li>Se  T  cresce , U  cresce . </li></ul><ul><li>Se  T  decresce , U  decresce .  </li></ul><ul><li>...
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA Diferença da energia que entra e da que sai do sistema.   U  =  Q  –  W
TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA  (P = CONSTANTE) <ul><li>Trabalho Realizado : </li></ul><ul><li>Pode ser calculado pela expressão ...
TRANSFORMAÇÃO ISOVOLUMÉTRICA, ISOMÉTRICA OU ISOCÓRICA  (V = CONSTANTE): <ul><li>Trabalho Realizado </li></ul><ul><li>O tra...
TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA  (T = CONSTANTE) <ul><li>Variação da energia interna:  </li></ul><ul><li> T = 0      U = 0 </l...
TRANSFORMAÇÃO ADIABÁTICA <ul><li>Um gás sofre uma transformação adiabática quando não troca calor com o meio exterior: </l...
TRANSFORMAÇÃO CÍCLICA <ul><li>Trabalho Realizado: </li></ul><ul><li>W CICLO  = ÁREA ABCDA </li></ul><ul><li>Variação da en...
EXEMPLO <ul><li>(UERJ – 2ª FASE)  Um cilindro, de área de seção reta uniforme igual a 0,10 m 2 , dotado de um êmbolo que p...
RESOLUÇÃO a)  W = –1 . 10 3  J (sobre o gás) Q = –1,5 . 10 3  J (cedido pelo gás)  U = Q – W = –1500 – (–1000) = –500 J ...
EXERCÍCIO <ul><li>(UNIRIO)  Numa aula sobre estudos de gases perfeitos, um professor escreve as seguintes frases no quadro...
GABARITO: B
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  1. 1. FÍSICA TERMODINÂMICA
  2. 2. OBJETIVOS <ul><li>Variáveis de estado </li></ul><ul><li>Equação de Clapeyron </li></ul><ul><li>Equação geral dos gases perfeitos </li></ul><ul><li>Transformações gasosas </li></ul><ul><li>Trabalho realizado pelo gás ou sobre o gás </li></ul><ul><li>Calor trocado </li></ul><ul><li>Energia interna de um gás </li></ul><ul><li>Primeira lei da termodinâmica </li></ul>
  3. 3. POR QUE É MELHOR COZINHAR O FEIJÃO NA PANELA DE PRESSÃO?
  4. 4. GÁS IDEAL Gás ideal é aquele que tem o mesmo volume do recipiente que o contém.
  5. 5. VARIÁVEIS DE ESTADO <ul><li>Para definir o estado de um gás é necessário usar as variáveis de estado: </li></ul><ul><li>Pressão (P) </li></ul><ul><li>Volume (V) </li></ul><ul><li>Temperatura (T) </li></ul>
  6. 6. UNIDADES <ul><li>Pressão </li></ul><ul><li>N/m 2 (sistema internacional), atm (usual) </li></ul><ul><li>Volume </li></ul><ul><li>m 3 (sistema internacional), l litro (usual) </li></ul><ul><li>Temperatura </li></ul><ul><li>Kelvin (sempre) </li></ul>
  7. 7. EQUAÇÃO DE CLAPEYRON <ul><li>Essa equação relaciona as três variáveis de estado. </li></ul><ul><li>p V = nRT </li></ul><ul><li>n representa o número de mols do gás; </li></ul><ul><li>R é a chamada constante universal dos gases perfeitos. </li></ul><ul><li>R = 0,082 atm l /mol K ou </li></ul><ul><li>R = 8,31 J/mol K </li></ul>
  8. 8. EXEMPLO <ul><li>(CEFET-RJ 2003 – 1a FASE) Uma bola de vôlei possui ar no seu interior, sob pressão de 2,5 atm. Quando a bola é furada, passa a esvaziar-se até que seu volume se torne metade do inicial. Considerando se que a temperatura tenha permanecido constante durante todo o processo, o percentual da massa de ar que vazou é: </li></ul><ul><li>20 % </li></ul><ul><li>40 % </li></ul><ul><li>50 % </li></ul><ul><li>60 % </li></ul><ul><li>80 % </li></ul>
  9. 9. RESOLUÇÃO PV = n R T  RT =  m F = 0,2 . m 0 m escapou = 0,8m 0 = 80% m 0 Gabarito: E
  10. 10. EQUAÇÃO GERAL DOS GASES Quando um gás sofre uma transformação, mudando suas variáveis de estado sem que seja alterado o numero de mols (não sai nem entra gás no sistema, sistema isolado ), podemos reescrever a equação de Clapeyron da seguinte forma: pV = nRT pV = nR T
  11. 11. EXERCÍCIO (FUVEST-SP- ADAPTADO) A figura abaixo representa um cilindro com êmbolo móvel de massa m = 20 Kg e área S = 100 cm 2 que contém inicialmente 2,4 litros de um gás ideal à temperatura de 27ºC. Aquece-se o sistema até a temperatura estabilizar em 127ºC. A pressão atmosférica é igual a 10 5 N/m 2 . Qual o volume final do gás? ATM
  12. 12. RESOLUÇÃO p 1 = p 2 V 1 = 2,4 l T 1 = 27°C = 300 K V 2 = ? T 2 = 127°C = 400 K V 1 = V 2 2,4 = V 2 V 2 = 2,4 . 400 T 1 T 2 300 400 300 V 2 = 3,2 l
  13. 14. TRABALHO REALIZADO POR UM GÁS W = p(V F – V I ) W = p  V Gás Gás
  14. 15. <ul><li>W positivo  (  V > 0)  o gás se expande (trabalho realizado pelo gás) </li></ul><ul><li>W negativo (  V < 0)  o gás se contrai (trabalho realizado sobre o gás) </li></ul><ul><li>W nulo  o gás não muda de volume </li></ul><ul><li>Área pxV = W </li></ul>V p W
  15. 16. EXEMPLO (FUVEST-SP- ADAPTADO) A figura abaixo representa um cilindro com êmbolo móvel de massa m = 20 Kg e área S = 100 cm 2 que contém inicialmente 2,4 litros de um gás ideal à temperatura de 27ºC. Aquece-se o sistema até a temperatura estabilizar em 127ºC. A pressão atmosférica é igual a 10 5 N/m 2 . Qual o trabalho mecânico realizado? ATM
  16. 17. RESOLUÇÃO V 1 = 2,4 l V 2 = 3,2 l  V = 0,8 l = 8 . 10 -4 m 3 p = 10 5 N/m 2 W = p  V W = 10 5 . 8.10 -4 W= 80 J
  17. 18. EXERCÍCIO (UNICAMP-SP) O volume de um mol de gás ideal varia linearmente em função da temperatura, conforme o gráfico abaixo. Calcule o trabalho realizado pelo gás ao passar do estado A para o estado B. Dados: Vo = 15  , To = 300 K e R (constante dos gases) = 8,3 J/mol K.
  18. 19. RESOLUÇÃO Vo = 15  = 15 . 10 -3 m 3 2Vo = 30  = 30 . 10 -3 m 3 To = 300 K 2To = 600 K Área do trapézio = (B+b).h/2 W = (15 .10 -3 + 30 . 10 -3 ).300/2 W= 45 . 10 -3 .150 W= 6,75 J
  19. 20. ENERGIA INTERNA <ul><li>Se T cresce , U cresce . </li></ul><ul><li>Se T decresce , U decresce . </li></ul><ul><li>Se T permanece constante , U permanece constante </li></ul>
  20. 21. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA Diferença da energia que entra e da que sai do sistema.  U = Q – W
  21. 22. TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA (P = CONSTANTE) <ul><li>Trabalho Realizado : </li></ul><ul><li>Pode ser calculado pela expressão W = p.  V ou pela área do gráfico pxV </li></ul><ul><li>Variação da Energia Interna: </li></ul><ul><li> U = Q – W </li></ul>p V W =área
  22. 23. TRANSFORMAÇÃO ISOVOLUMÉTRICA, ISOMÉTRICA OU ISOCÓRICA (V = CONSTANTE): <ul><li>Trabalho Realizado </li></ul><ul><li>O trabalho realizado pelo gás é nulo, pois não há variação de voluma (expansão ou contração). </li></ul><ul><li>W = 0 </li></ul><ul><li>Variação da Energia Interna: </li></ul><ul><li> U = Q </li></ul>
  23. 24. TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA (T = CONSTANTE) <ul><li>Variação da energia interna: </li></ul><ul><li> T = 0   U = 0 </li></ul><ul><li>Calor Trocado </li></ul><ul><li> Na transformação isotérmica (expansão ou contração) de uma dada massa de gás ideal, a quantidade de calor trocada pelo gás com o meio ambiente é sempre igual ao trabalho realizado no processo, pois a variação de energia interna sofrida pelo gás é nula. </li></ul><ul><li>Q = W </li></ul>V p isoterma
  24. 25. TRANSFORMAÇÃO ADIABÁTICA <ul><li>Um gás sofre uma transformação adiabática quando não troca calor com o meio exterior: </li></ul><ul><li>Q = 0 </li></ul><ul><li>Variação da Energia Interna: </li></ul><ul><li> U = – W </li></ul>
  25. 26. TRANSFORMAÇÃO CÍCLICA <ul><li>Trabalho Realizado: </li></ul><ul><li>W CICLO = ÁREA ABCDA </li></ul><ul><li>Variação da energia interna: </li></ul><ul><li> U CICLO = 0 </li></ul><ul><li>Q CICLO = W CICLO </li></ul><ul><li>Obs: </li></ul><ul><li>1 - Ciclo no sentido horário: Calor transformado em trabalho </li></ul><ul><li>2 - Ciclo no sentido anti-horário:Trabalho transformado em calor </li></ul>
  26. 27. EXEMPLO <ul><li>(UERJ – 2ª FASE) Um cilindro, de área de seção reta uniforme igual a 0,10 m 2 , dotado de um êmbolo que pode se mover sem atrito, contém um gás ideal em equilíbrio. O êmbolo se encontra a uma altura H = 0,50 m acima da base do cilindro, como mostra a figura: </li></ul><ul><li>O gás sofre uma compressão isobárica, sendo realizado sobre ele um trabalho de 1,0 . 10 3 J. Em conseqüência, o gás cede ao meio externo uma quantidade de calor correspondente a 1,5 . 10 3 J. No final do processo, o sistema entra em equilíbrio quando o êmbolo atinge uma altura de 0,40 m acima da base do cilindro. </li></ul><ul><li>Calcule: </li></ul><ul><ul><li>a variação da energia interna sofrida pelo gás. </li></ul></ul><ul><ul><li>a pressão do gás no interior do cilindro. </li></ul></ul>
  27. 28. RESOLUÇÃO a) W = –1 . 10 3 J (sobre o gás) Q = –1,5 . 10 3 J (cedido pelo gás)  U = Q – W = –1500 – (–1000) = –500 J  U = –500 J b) W = p .  V (p = constante) – 1000 = p . (A . hf – A . hi) – 1000 = p . A . (hf – hi) – 1000 = p . 10 –1 .
  28. 29. EXERCÍCIO <ul><li>(UNIRIO) Numa aula sobre estudos de gases perfeitos, um professor escreve as seguintes frases no quadro: </li></ul><ul><li>I - Numa transformação isotérmica, a energia interna permanece constante. </li></ul><ul><li>II - Numa transformação adiabática, a pressão não se altera. </li></ul><ul><li>III - Numa transformação isocórica, o trabalho realizado é nulo. </li></ul><ul><li>IV - Numa transformação isobárica, a temperatura é uma medida da quantidade de calor que o gás recebeu. </li></ul><ul><li>Assinale a opção que contém as afirmativas corretas: </li></ul><ul><li>apenas I e II </li></ul><ul><li>apenas I e III </li></ul><ul><li>apenas II e III </li></ul><ul><li>apenas II e IV </li></ul><ul><li>apenas II, III e IV </li></ul>
  29. 30. GABARITO: B

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