Primeira Lei da Termodinâmica

Transcrição

1 Capítulo 19 Primeira Lei da Termodinâmica Por Josevi Carvalho

2 Conceitos Termodinâmicos Sistemas termodinâmicos: qualquer corpo que troca calor com a vizinhança Variáveis de Estado: p, V, T,... descrevem o sistema termodinâmico Processo termodinâmico: como as variáveis de estado ( p, V, T,...) variam

3 Calor Q: Processos termodinâmico pode deixar ou entrar no sistema Trabalho W: Sistema pode realizar trabalho sobre o ambiente O ambiente pode realizar trabalho sobre o sistema

4 Sistema Termodinâmico pode trocar calor com sua vizinhança Estado do sistema (p, V, T,...) Processo termodinâmico mudança no estado do sistema.

5 (a) Q > 0, W = 0 (b) Q < 0, W = 0 (c) Q = 0, W > 0 (d) Q = 0, W < 0 (e) Q > 0, W > 0 (f) Q < 0, W < 0

6 Trabalho feito com variação de volume dw = Fdx = ( pa)dx = p ( Adx ) = pdv

7 Trabalho feito com variação de volume dw=pdv W= pdv

8 Trabalho feito com variação de volume dw=pdv W= pdv

9 Trabalho depende do caminho dw=pdv W= pdv W = área sobre o gráfico de p(v) W depende dos estados inicial e final (1, 2) W depende dos estado intermediários

10 Q depende também do caminho

11 Conceitos Termodinâmicos Sistema termodinâmico: descrito pela variáveis de estado (p, V, T,..) Processos termodinâmicos: muda o estado do sistema, isto é, ( p, V, T,...) Calor Q, Trabalho W: dependem do caminho

12 Calor Q e Trabalho W Q e W não são propriedades do sistema (Q entra ou sai do sistema) (W é feito pelo sistema ou sobre o sistema) Podemos medir a diferença: Q W Q W está relacionado a uma propriedade do sistema

13 Q W Escolhemos um sistema termodinâmico Tomamos o sistema entre um estado inicial e final para muitos processos diferentes Para cada processo medimos Q W O Experimento nos surpreende!

14 Q W Para esse processo sempre encontramos: Q W tem o mesmo valor em todos os processos Q W depende somente dos estados inicial e final Q W não depende do caminho (essas são três afirmações equivalentes)

15 Q W Desde que Q W depende somente das variáveis de estado: Q W = uma mudança na propriedade do sistema Definimos U = energia interna do sistema: Q W = U

16 Primeira Lei da Termodinâmica ou Q W = U Q = W + U Ela generaliza as leis de conservação da energia da mecânica para incluir a energia térmica Q.

17 Primeira Lei da Termodinâmica ou Q W = U Q = W + U O calor Q adicionado ao sistema se converte em trabalho W e energia interna U.

18 Primeira Lei da Termodinâmica ou Q W = U Q = W + U (Notação: U não é simplesmente energia potencial )

19 Leis da Termodinâmica Lei Zero: todo sistema termodinâmico tem uma propriedade chamada temperatura T Primeira Lei: U = Q W todo sistema termodinâmico tem uma propriedade chamada energia interna

20 U = Q W Relembremos: Q pode ser > 0, < 0, = 0 W pode ser > 0, < 0, = 0 Portanto: U pode ser > 0, < 0, = 0

21 Expansão Livre Quebre a partição Deixe o gás expandir-se livremente no vácuo

22 Expansão Livre o gás está em equilíbrio nos estados inicial e final o gás não está em equilíbrio entre os estados inicial e final

23 Expansão Livre Passos do processo Q = 0 (isolante) W = 0 (não desloca nenhum êmbolo) Primeira Lei diz: U = Q W = 0

24 Expansão Livre Para o gás: p, V: não nulos O experimento mostra que: Pelo menos para o gás idel temos T = 0 entre o estado inicial e final

25 Para o gás: p, V não nulos Expansão Livre Experimento: T = 0 Primeira Lei: U = 0 Conclusão: Para um gás ideal, U depende APENAS da temperatura T.

26 Leis da Termodinâmica Lei Zero: todo sistema termodinâmico tem uma propriedade chamada temperatura T Primeira Lei: U = Q W todo sistema termodinâmico tem uma propriedade chamada energia interna U

27 Leis da Termodinâmica ou Q W = U Q = W + U Generaliza a conservação da energia: Energia térmica Q adicionada a um sistema se transforma em trabalho W e energia interna U

28 Processos termodinâmicos Processo Definição Consequência Expansão livre Q = 0 W = 0 U = 0 Cíclico: caminho fechado U = 0 Q = 0 + W

29 Processos termodinâmicos Processo Definição Consequência Isobárico p = constante W = p V Isocórico V = constante W = 0 Q = U + 0

30 Processos termodinâmicos Processo Definição Consequência Isotérmico T = constante U = 0 (deve ser lento) Adiabático Q = 0 0 = U + W (isolante ou rápido)

31 Calor Específico Molar Q = n C T Q = energia necessária para aquecer/resfriar n moles por T C V = calor específico molar à volume constante C p = calor específico molar à pressão constante

32 C V para Gases Ideais Teoria Molecular: Nova linguagem: (K tot ) av = ( f / 2 ) nrt U = ( f / 2 ) nrt C V = ( f / 2 )R C V = ( f / 2 )R Monoatômico: f = 3 Diatômico: f = 3, 5, 7 Monoatômico: f = 3 Diatômico: f = 3, 5, 7

33 C p para Gases Ideais Experamos: C p > C V Exemplo: gás realiza trabalho expandindo contra a atmosfera Podemos mostrar: Derive Derive this this result result C p = C V + R

34 C p for Ideal Gases C p =C V +R γ= C p C V = C V +R C V monatomic gas: C V = (3/2)R diatomic gas: at low T, C V = (5/2)R γ= (5/2 ) R (3/2 ) R =5 3 γ= (7/2 ) R (5/2 ) R =7 5 =1. 67 =1. 40

35 Derive Derive these these results results Processo Adiabático (Q = 0) Em um processo adiabático de um gás ideal podemos mostrar TV γ 1 = valor constante pv γ = outro valor constante

36 Derive Derive these these results results Derive Derive some some isobaric isobaric results results Do Do Problem Problem Processo Adiabático (Q = 0) Para um gás ideal num processo adiabático: W=nC V (T 1 T 2 ) C V R ( p 1 V 1 p 2 V 2 ) 1 γ 1 ( p 1 V 1 p 2 V 2 )