CAPITULO 2 A Primeira lei da termodinâmica

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1 Neste capítulo são introduzidos alguns dos conceitos fundamentais da termodinâmica. O foco da exposição é a conservação de energia a observação experimental de que a energia não pode ser destruída nem criada. Mostra-se também como esse princípio de conservação se aplica no acompanhamento das variações de energia nos processos físicos e químicos CAPITULO 2 A Primeira lei da termodinâmica PGCEM Termodinâmica dos Materiais UDESC

2 Pontos Importantes: Apresentar definição e conceitos de Energia Apresentar definição e conceitos de Calor Apresentar definição e conceitos de Trabalho Discutir o conceito de reversibilidade Apresentar o princípio de conservação de energia Sistemas e vizinhanças : Sistema termodinâmico = região macroscópica do universo que é selecionado para análise. Quando definimos um sistema temos que definir também a sua vizinhança e sua fronteira. Vizinhanças = São partes do universo que são vizinhas ao sistema em análise. Fronteira = é a interface imaginária entre o sistema e suas vizinhanças.

3 Tipos de sistema Sistema aberto ou fechado : Sistema isolado : Matéria Matéria Matéria Sistema Energia Vizinhança Energia Vizinhança Energia Vizinhança A pele humana Um erlenmeyer Uma garrafa térmica perfeita

4 Tipos de sistema Relembrando : Sistema de um componente ou multicomponente Sistema homogêneo ou heterogêneo Sistema reativo ou não reativo Sistema simples ou complexo Tipos de Processo Adiabático Isocórico Isotérmico Isobárico Isentálpico Isentrópico Processo ocorre sem troca de calor Isométrico ou isovolumétrico Volume constante Processo ocorre a temperatura constante Processo ocorre a pressão constante Processo ocorre a entalpia constante Processo ocorre a entropia constante

5 Tipos de fronteira: Fronteira rígida (não transmite força mecânica) Fronteira impermeável (não transmite massa) Fronteira adiabática (não transmite calor) Fronteira Diatérmica : Fronteira Adiabática :

6 Energia É a propriedade de um sistema que pode ser convertida em trabalho Pode ser armazenada dentro de sistemas em várias formas macroscópicas Pode ser transferida entre sistemas e também transformada de uma forma para outra Esta transferencia pode ocorrer por meio de calor e trabalho A quantidade total de energia permanece constante em todas as transformações e transferências Podemos definir três tipos de energia principais: Energia cinética: energia associada a qualquer tipo de movimento Energia potencial: é capaz de promover mudança de posição em relação a um campo gravitacional Energia interna: a energia interna de um sistema é a energia associada com as condições internas do sistema.

7 Energia cinética: Está associado ao efeito de uma força tendo como resultado um deslocamento Força Sistema (Corpo) Sistema (Corpo) F.d s Trabalho de F entre s EC mv 2 V1 2 e s d s Trabalho da força resultante = Variação da energia Cinética Entre S 1 e S 2 Energia transferida ao corpo = Acumulo de energia armazenada no corpo na forma de energia cinética

8 Energia potencial: é capaz de promover mudança de posição em relação a um campo gravitacional E p (gravitacional) mgh E p (elétrica ) q1q r Energia interna: é a energia associada ao movimento de átomos e moléculas que constituem os materiais e que possuem liberdade de movimento que pode ser de translação, rotação e/ou vibração. Unidade de energia: SI (J) Joule 1J=1kgm 2 s -2 ev (eletron-volt) 1eV é a energia cinética que adquire 1 e acelerado por uma diferença de potencial de 1V. Caloria (cal) 1 cal é a energia suficiente para elevar de 1 o C a temperatura de 1g de H 2 O

9 Trabalho = transferencia de energia Calor é o fluxo de energia movida por uma diferença de temperatura TRABAHO é o fluxo de energia motivado por qualquer outra força motriz. Existe trabalho quando um corpo é deslocado contra uma força que se opõe ao deslocamento. O trabalho é determinado pelo produto da força envolvida e o deslocamento provocado Toda forma de transferência de energia que não envolva gradientes de temperatura

10 Trabalho Trabalho é toda forma de energia diferente do calor: pode ser trabalho mecânico, elétrico, magnético. Assim trabalho engloba todas as formas de trabalho, inclusive mecânico.

11 Trabalho O trabalho é a pressão de resistência multiplicada pela variação volumétrica. Unidade de trabalho: SI J (Joule) - quando a pressão é expressa em N/m 2 ou Pa, e o volume é expresso em metros cúbicos. O trabalho é uma transferência de energia que se aproveita de movimento organizado O trabalho é a forma de transferência de energia que muda a direção de movimento dos átomos que compõem o sistema

12 Trabalho convenção Energia W > 0 Trabalho Energia W < 0 W F l F A A l P ex V Trabalho W 2 1 P ex dv

13 Perguntas de vestibular Diga, para cada situação, se há trabalho realizado pelo sistema, sobre o sistema ou se nenhum trabalho é realizado. (A) Um balão expande enquanto um pequeno pedaço de gelo seco sublima dentro do balão. (balão=sistema) R. Já que o volume do balão aumenta, não há dúvida de que ele está realizando trabalho. O trabalho é realizado pelo sistema. (B) As portas do compartimento de carga do trem espacial são abertas no Espaço, liberando um pouco da atmosfera residual. (ar que está dentro é o sistema) R. As portas se abrem para o vácuo, portanto trata-se de uma expansão livre (contra pressão nula). Nenhum trabalho é realizado. (C) O CHF2Cl, um gás refrigerante, é comprimido no ar condicionado, para ser liquefeito. (CHF2Cl = sistema) R. Já que o volume do CHF2Cl diminui quando é comprimido, trabalho é realizado sobre o gás. O trabalho é realizado sobre o sistema. (D) Uma lata de tinta spray é descarregada contra uma parede. (lata = sistema) R. A lata não muda de volume. Se a lata for o sistema, então: Nenhum trabalho é realizado. O trabalho é realizado pelo próprio spray, que aumenta seu volume contra a pressão atmosférica constante.

14 Energia e Calor É a energia transferida entre o sistema e a vizinhança em função de variações de temperatura Calor é energia em transito Processos exotérmicos cede energia na forma de calor Processos endotérmicos absorvem calor Adiabático Diatérmico (a) (b) (c) (d) (a) Processo endotérmico num sistema com fronteiras adiabáticas (b) Processo exotérmico num sistema com fronteiras adiabáticas (c) Processo endotérmico num sistema com fronteiras diatérmicas (d) Processo exotérmico num sistema com fronteiras diatérmicas

15 Calor e movimento atômico Calor é a transferência de energia que se aproveita do movimento caótico das moléculas (movimento térmico) como calor é uma variável do sistema não podemos dizer que o sistema possui calor. O calor é considerado como energia em transito Energia q < 0 Calor Energia q > 0 Calor

16 A primeira Lei Define um conceito de energia interna como a energia total de um sistema na termodinâmica A variação da energia interna é dada pela diferença entre energia interna final menos energia interna inicial (Função de estado) Energia interna pode ser alterada através da realização de trabalho (w) ou através da transferência de calor (q)

17 A primeira Lei A energia interna : é uma função de estado é uma propriedade extensiva Calor e Trabalho não são funções de estado Energia interna, trabalho e calor medem-se em Joule (SI)

18 Quando um sistema fechado sofre uma série de transformações que o levam a um estado final idêntico ao estado inicial, ao longo das quais ele troca com o meio externo apenas trabalho e calor, a soma algébrica das quantidades de trabalho e calor recebidas pelo sistema é nula. Quando um sistema fechado, passa do estado A ao estado B, e ao faze-lo troca com o meio exterior apenas calor e trabalho, a soma algébrica Q + W das quantidades de calor e trabalho que ele recebe depende apenas do estado inicial e final, e é independente do processo pelo qual se deu a mudança de estado.

19 JAMES JAULE

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22 A primeira Lei A energia interna de um sistema pode ser alterado pelo trabalho efetuado sobre o sistema ou pelo aquecimento do mesmo. Se um sistema estiver isolado das suas vizinhanças não haverá alteração da energia interna SISTEMA ISOLADO a variação de energia interna = 0 SISTEMA FECHADO variação da energia interna = função de q e w SISTEMA COM FRONTEIRA ADIABÁTICA q=0 variação da energia interna = função de w Convenção - w e q > 0 se o sistema ganha energia e w e q < 0 se o sistema perde energia U Q W du Q W

23 Convenção de sinais

24 Determinação de trabalho Variação de volume de um gás

25 Determinação de trabalho Variação de volume de um gás Considere um gás ideal que ocupe 1.0 dm 3 a pressão de 2.00 bar. Se o gás é comprimido isotermicamente a uma pressão externa Pext constante até que o volume final seja 0.5 dm 3, qual é o menor valor que Pext pode assumir?

26 Determinação de trabalho Expansão livre Expansão livre é a expansão contra uma força nula. Ocorre quando a pressão externa é zero. W=0. Expansão contra pressão constante Considera a pressão externa como constante para todo o processo de expansão. Exemplo quando a pressão externa é a pressão atmosférica Diagrama indicador

27 Expansão reversível É uma transformação que pode ser invertida pela modificação infinitesimal de uma variável Reversível X Irreversível Expansão reversível, isotérmica, de gás ideal Considerando um gás ideal PV=nRT w nrt V f V i dv V Vf nrt ln Vi

28 Determinação de trabalho Variação de volume de um gás expansão isotérmica o maior trabalho para ser realizada compressão isotérmica o menor trabalho que podemos fazer

29 Exercício 1) 10 litros de gás ideal monoatômico, mantido a 25 ºC e 10 atm é expandido até atingir a pressão final de 1 atm. A capacidade calorifica molar do gás a volume constante (Cv) é 3/2 R e é independente da temperatura. Calcular o trabalho realizado, o calor absorvido e as mudanças de energia interna e entalpia para o gás se o processo ocorre: isotérmicamente e reversivelmente adiabáticamente e reversivelmente

30 Exercício