Ciências da Natureza e suas Tecnologias Física Ensino Médio, 1ªAno. Primeira lei da termodinâmica

Transcrição

1 Ciências da Natureza e suas Tecnologias Física Ensino Médio, 1ªAno

2 HISTÓRIA DA CIÊNCIA Máquinas Térmicas 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 térmicas e revolucionou, na segunda metade do século XVIII, a maneira pela qual as pessoas se relacionam e produzem seus bens. Imagens: Eolípila: Katie Crisalli para a U.S. Air Force / United States public domain. Heron de Alexandria: Autor desconhecido / United States public domain. Imagens: À Esquerda, Sala de máquinas penteadeiras a vapor Heilmann / Armand Kohl / Public domain. À Direita, Locomotiva a vapor / Don-kun / Public domain.

3 No livro Física mais que divertida, do professor Eduardo Campos Valadares (Ed. UFMG), encontramos um experimento denominado Usina Térmica. A experiência consiste em aquecer uma lata de refrigerante contendo água e um furo na parte superior. Bem a frente do furo deve ser colocada uma turbina (ventoinha). Imagem: SEE-PE redesenhada com base em 8.asp Imagem: Arturo D. Castillo / Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

4 A força para produção de bens era braçal e bastante personalizada. O homem percebe que pode utilizar a força da água para realização 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.

5 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.

6 Quando o gás se expande, temos uma variação de volume positiva ( V>0). Então dizemos que o gás realizou trabalho (δ>0), pois é a força do gás que desloca o êmbolo. F Quando o gás é comprimido, temos uma variação de volume negativa ( V<0). Então dizemos que o trabalho foi realizado sobre o gás (δ<0), pois uma força externa desloca o êmbolo.

7 A energia interna de um gás está diretamente relacionada com sua temperatura. Assim, uma variação na temperatura do gás indicará variação de sua energia interna ( U). Para moléculas monoatômicas, tem-se: U 3 n R 2 T ΔU 3 2 n R ΔT 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.

8 Numa transformação isovolumétrica, todo calor recebido ou cedido (Q) pelo gás será transformado em variação da sua energia interna ( U). Como não há variação de volume, também não há realização de trabalho (δ). Calor recebido Calor cedido

9 Numa transformação isotérmica,, todo calor trocado pelo gás (Q), recebido ou cedido, resultará em trabalho(δ). Uma vez que não há variação de temperatura, também não há variação de energia interna( U). Calor cedido Calor Recebido

10 Numa transformação adiabática,, não ocorre troca de calor (Q) do gás com seu entorno. 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)

11 Ao encher uma bola fazendo movimentos rápidos na bomba, notamos o aquecimento da mesma. Isto acontece porque o ar, uma vez comprimido rapidamente, eleva sua temperatura. Como o processo é rápido, não há tempo para troca de calor com o meio externo. Trata-se de uma compressão adiabática. 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.

12 Transformação Isovolumétrica Transformação Adiabática

13 01. Transfere-se calor a um sistema, num total de 200 calorias. Verifica-se que o sistema se expande - realizando um trabalho de 150 joules e sua energia interna aumenta. 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

14 Se o sistema recebeu 200 calorias e 1 cal = 4Joules, então a energia recebida em Joules será... Voltar

15 O 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 da Termodinâmica, todo calor trocado resultará em trabalho e variação da energia interna. Logo... Q = δ + U Voltar

16 02. (Unesp 1999) Certa quantidade de um gás é mantida sob pressão constante dentro de um cilindro com o auxílio de um êmbolo pesado, que pode deslizar livremente. 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, transferida lentamente para o gás. Neste processo, o êmbolo se eleva de 0,02 m e a temperatura do gás aumenta de 20 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. Questão: Imagem: SEE-PE redesenhada com base em Próximo Problema

17 d = 0,02m FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio De início, é preciso considerar que a pressão do gás se mantém constante. Logo, a força que o gás exerce sobre o êmbolo é constante e não deve ser maior que 400N, pois o êmbolo deve subir lentamente. Caso a força fosse maior que 400N, o êmbolo subiria aceleradamente. Assim, a força do gás deve ser 400N e o êmbolo deverá subir com velocidade constante. Lembremos que o trabalho de uma força é calculado por... Onde F é o valor da força e d o deslocamento que a força produz. Assim temos... F 400N Voltar

18 Se o gás recebeu um calor Q=28J e efetuou um trabalho δ=8j, então podemos calcular que sua variação de energia interna ( U) foi de... Q = δ + U 28 = 8 + U 28 8 = U U = 20 J Assim, podemos afirmar que o aumento da temperatura em 20 C foi uma decorrência do recebimento de 20 Joules de energia. Lembrando que estudamos em calorimetria sobre o calor sensível - aquele responsável por provocar uma variação na temperatura ( Q=m.c. T) - poderemos então calcular o calor específico... Voltar

19 03. Nos últimos anos, o gás natural (GNV: gás natural veicular) vem sendo utilizado pela frota de veículos 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, para produzir 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.

20 Observe que o texto afirma que a tabela compara os valores da Gasolina e do GNV em condições ambiente, logo, sujeitos à pressão da atmosfera. Assim, em 1m³ de ambiente aberto, tem-se 738 Kg de gasolina e 0,8 Kg de GNV. A tabela informa também que, em 1Kg de GNV, tem-se uma energia de KJ, enquanto que, em 1Kg de Gasolina, tem-se uma energia bem próxima, no valor de KJ. Para obtermos 1Kg de Gasolina será necessário um volume de Kg 1Kg 738Vg Vg 1m Vg ,0014m 3 Já para obtermos 1Kg de GNV, será necessário um volume de... V GNV 1 0,8 1,25m 3

21 Então, para obter a mesma energia da Gasolina (em 1Kg), o volume de GNV será... V GNV Vg 1,25 0, Assim, a alternativa que responde a questão será vezes maior que o volume da gasolina. Então será necessário comprimir o GNV (aumentar a pressão) para se ter a mesma energia em um volume menor. b) muito maior, o que requer que ele seja armazenado á alta pressão.

22 04. Enquanto se expande, um gás recebe o calor Q=100J e realiza o trabalho δ=70j. Ao final do processo, podemos afirmar que 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 um trabalho de 80J durante uma compressão isotérmica? a) 80J; b) 40J; c) Zero; d) - 40J; e) - 80J.

23 04 - Q = Quantidade de calor recebida = 30 J W = trabalho realizado = 70 J Delta U = variação da energia interna =? Delta U = Q - W Delta U = Delta U = 30 J

24 06. Um cilindro de parede lateral adiabática tem sua base em contato com uma fonte térmica e é fechado por um êmbolo adiabático pesando 100N. O êmbolo pode deslizar sem atrito ao longo do cilindro, no interior do qual existe uma certa quantidade de gás ideal. O gás absorve uma quantidade de calor de 40J da fonte térmica e se expande lentamente, fazendo o êmbolo subir até 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.

25 Q = W + U U = Q - W U = 40J (recebido) - W realizado pelo gás (positivo, pois é uma expansão) U = ,1 = = 30 J

26 07. (UFPR) Considere um cilindro de paredes termicamente isoladas, com exceção da base inferior, que é condutora de calor. O cilindro está munido de um êmbolo de área 0,01m² e peso 25N, que pode mover-se sem atrito. O êmbolo separa o cilindro em uma parte superior, onde existe vácuo, e uma parte inferior, onde há um gás ideal, com 0,01mol e volume inicial de 10 litros. À medida em que o gás é aquecido, o êmbolo sobe até uma altura máxima de 0,1m, onde um limitador de curso o impede de subir mais. Em seguida, o aquecimento prossegue até que a pressão do gás duplique. Com base nessas informações, 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 para realizar trabalho e para aumentar a temperatura do gás; (32) O trabalho realizado pelo gás durante a etapa de expansão é igual ao trabalho total realizado pelo gás desde o início do aquecimento até o momento em que o gás atinge o dobro da pressão inicial. Soma ( ) Questão: Imagem: SEE-PE produzida com base na imagem disponível em

27 08. Quando um gás ideal sofre uma expansão isotérmica, a) a energia recebida pelo gás na forma de calor é igual ao trabalho realizado 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 da energia interna do gás; e) o trabalho realizado pelo gás é igual à variação da energia interna do gás. 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 e da 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.

28 10. 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 de um sistema é dado por U= Q-δ, no qual Q é o calor recebido pelo sistema, e δ é o trabalho 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.

29 Tabela de Imagens Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso 2a Eolípila: Katie Crisalli para a U.S. Air Force / United States public domain. ile.jpg 2b Heron de Alexandria: Autor desconhecido / United States public domain..jpeg 2c Locomotiva a vapor / Don-kun / Public domain. Oybin1088.jpg 2d Sala de máquinas penteadeiras a vapor Heilmann / Armand Kohl / Public domain. nd_kohl48.jpg 3a SEE-PE, Imagem produzida com base na Imagem produzida com base em imagem de Autor Desonhecido situada em asp 08.asp 3b 4a 4b Arturo D. Castillo / Creative Commons Attribution 3.0 Unported. Lewis W. Hine, Yale University Art Gallery/ Public Domain Roger May / Creative Commons Attribution- Share Alike 2.0 Generic svg g_pittsburgh_stogies_by_lewis_hine.jpeg Century_Water_Mill_-_geograph.org.uk_- _43368.jpg 4c Emoscopes / GNU Free Documentation License. omen_atmospheric_engine_animation.gif 5 Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain. on.svg

30 Tabela de Imagens Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso 7 Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain. n.svg 11a Air pump / Priwo / Public Domain mpe-01.jpg 11b Football / flomar / Public Domain ll_%28soccer_ball%29.svg 11c Aerosol / PiccoloNamek / GNU Free Documentation License. l.png 16 SEE-PE, Imagem produzida com base na imagem de Autor Desonhecido situada em asp?origem=unesp&curpage=26 asp?origem=unesp&curpage=26 24 SEE-PE, Imagem produzida com base na imagem de Autor Desonhecido situada em =9144&t= =9144&t=