UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - EEL. Profª Drª Marivone Nunho Sousa

Transcrição

1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - EEL Profª Drª Marivone Nunho Sousa 5 de agosto de 2016

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3 ALGUNS ILUSTRES PESQUISADORES QUE CONSTRUÍRAM A TERMODINÂMICA Sadi Carnot James Joule Emile Clapeyron Wiliam Thomson Lord Kelvin Rudolf Clausius

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12 Energia usada p/fazer c/que um objeto se mova

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14 Energia usada p/fazer c/que a temperatura de um objeto aumente

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17 U = U final - U inicial Função de estado: depende do estado no qual o sistema está, não do modo que chegou

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19 Transformação Variáveis de Estado Variáveis de Estado P 1 V 1 T 1 U 1 P 2 V 2 T 2 U 2 TRANSFORMAÇÃO Estado 1 Estado 2

20 PROCESSOS P 1 V 1 T 1 U 1 Caminho descrito pelo sistema na transformação. P 2 V 2 T 2 U 2 Processos Isotérmico Isobárico Isovolumétrico Adiabático Durante a transformação Temperatura CONSTANTE Pressão CONSTANTE volume CONSTANTE Q = 0 (NÃO HÁ TROCA DE CALOR)

21 CONVENÇÃO DE SINAIS EM TERMODINÂMICA Fornece energia sistema w w > 0 Retira energia sistema w w < 0 Libera calor sistema q q < 0 Recebe calor sistema q q > 0

22 O PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA Lei da conservação da energia: a energia em um sistema pode manifestar-se sob diferentes formas como calor e trabalho. A energia pode ser interconvertida de uma forma para outra, mas a quantidade total de energia do universo, isto é, sistema mais meio externo, conserva-se. A ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA ISOLADO É CONSTANTE U Q W Variação na energia interna do sistema Calor trocado pelo sistema Trabalho realizado pelo sistema

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24 III I 1 2 II Função de estado: É aquela propriedade que em uma transformação que leva um sistema de (1) para (2) por vários caminhos depende apenas da condição final e inicial (U, P, V e T). O calor e o trabalho depende do caminho, mas a relação entre eles não depende. Q I Q II Q III WI WII WIII Q I - W I = Q II - W II = Q III - W III Quando a transformação for cíclica U =0 porque U1 = U2 Q = W

25 + +

26 Considere um gás ideal em uma câmara de pistão, em que o volume inicial é de 2 L e a pressão inicial é de 8 atm. Considere que o pistão está subindo (isto é o sistema está expandindo) até um volume de 5,5 L, contra uma pressão externa constante de 1,75 atm. Também considere uma temperatura constante durante o processo. a) Calcule o trabalho para o processo; b) Calcule a pressão final do gás.

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28 Um gás na câmara de um pistão, mantido em banho à temperatura constante de 25 C, expande de 25 ml para 75 ml, muito, muito lentamente. Se há 0,00100 mol de gás na câmara, calcule o trabalho realizado pelo sistema.

29 U = qv

30 CALOR Calor fornecido ao sistema leva a um aumento da temperatura podendo ser medido por um calorímetro. capacidade calorífica calor fornecido aumento de temperatura c q T c s = capacidade calorífica específica (c s = C/m); c m = capacidade calorífica molar (c m = C/n). JK -1 mol -1 E JK -1 g -1 calºc -1 mol -1 E calºc -1 g -1

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34 ΔU = Q - W

35 Entalpia : calor fornecido para fazer um trabalho de expansão a P = cte

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42 Movimento rápido do êmbolo Q = 0 O processo ocorre tão rapidamente que o sistema não troca calor com o exterior. W Área sob o gráfico

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45 EXERCÍCIOS 01. Um sistema termodinâmico recebe, sob forma de calor, 600 J enquanto realiza trabalho de 400 J. Calcule a variação da energia interna. 02. Na expansão isotérmica de um gás, que se comporta como gás ideal: a) sua pressão permanece constante. b) o trabalho realizado pelo gás é maior do que o calor recebido. c) sua energia interna aumenta. d) o trabalho realizado pelo gás é necessariamente zero. e) o calor fornecido ao gás pode ser integralmente convertido em trabalho.

46 03. O gráfico abaixo mostra a evolução de um gás ideal sob pressão constante de 10 N/m 2, desde o estado inicial A, até o estado final B. Durante esse processo, o gás cede 1,0 kj de calor para o ambiente. Calcule o trabalho realizado sobre o gás e a variação de sua energia interna.

47 04. A interação das moléculas de um gás com o recipiente que o contém determina as transformações que o sistema pode sofrer. Levando em conta as variáveis de um gás perfeito num sistema termodinâmico pressão, volume, temperatura (ou energia interna) e calor podem-se considerar quatro transformações: isobárica, isotérmica, isométrica e adiabática. O gráfico abaixo representa a transformação de um sistema termodinâmico constituído por uma amostra de 2,0 mols de um gás monoatômico ideal. De acordo com o gráfico e com as leis da termodinâmica, calcule o trabalho realizado sobre o gás.

48 05. Certa quantidade de ar contido num cilindro com pistão é comprimida adiabaticamente, realizando-se um trabalho de 1,5 kj. Calcule os valores do calor trocado com o meio externo e da variação de energia interna do ar nessa compressão adiabática. 06. Considere as informações e a figura a seguir: Um cilindro de metal dotado de um êmbolo móvel, em cujo interior se encontra um gás em equilíbrio termodinâmico, é semelhante a uma bomba de encher pneus de bicicleta com a saída de ar bloqueada. Ao fazer-se uma força sobre o êmbolo, resultando na compressão muito rápida do gás, o que caracteriza uma transformação adiabática? I. ocorre um aumento na temperatura do gás. II. o trabalho realizado pela força aumenta a energia interna do gás. III. o trabalho realizado pela força é igual aocalor liberado para o meio externo.

49 litros de gás hidrogênio contido num recipiente de aço a 27 ºC e à pressão de 50 atm é expandido reversivelmente sem variação de temperatura até um volume final de 100 litros. Calcular: a) Qual a quantidade de calor envolvida nesta expansão? b) Qual a pressão do gás no final da expansão? c) Qual o trabalho realizado durante a expansão? 08. Uma amostra de 4,5 g de metano ocupa o volume de 12,7 L a 310 K. a) Calcule o trabalho realizado quando este gás se expande isotermicamente contra uma pressão externa constante de 200 Torr até o seu volume aumentar 3,3 L. b) Calcule o trabalho se a expansão fosse realizada reversivelmente à temperatura constante. 09. A capacidade calorífica molar, à pressão constante, de um gás perfeito varia com a temperatura de acordo com a seguinte expressão: Calcular a quantidade de calor, o trabalho, a energia interna e a variação de entalpia quando um mol do gás é aquecido de 0 ºC até 100 ºC: a) à pressão constante. b) à volume constante.

50 10. Um gás ideal, C v,m = 5R/2, é expandido adiabaticamente contra uma pressão constante de 1 atm até que seu volume seja o dobro. Se a temperatura inicial é 25 ºC e a pressão inicial 5 atm, calcule a temperatura final, a quantidade de calor, o trabalho, a variação da energia interna e a variação de entalpia por mol de gás para a transformação.