Nesta aula veremos os significados de alguns termos úteis que são comumente encontrados e conheceremos a primeira lei da termodinâmica.

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1 Aula: 05 Temática: Primeira Lei da Termodinâmica Nesta aula eremos os significados de alguns termos úteis que são comumente encontrados e conheceremos a primeira lei da termodinâmica. 1. Conceitos e definições Na físico-química diidimos o unierso em sistema e izinhança. O sistema é a parte estudada, inestigada, já a izinhança, como o próprio nome diz, é o que está em olta do sistema e de onde fazemos as medidas e obserações. A fronteira separa o sistema da izinhança e, dependo de suas características, pode definir o tipo de sistema. Se a fronteira for permeáel à passagem da matéria, diz-se que o sistema é aberto e se for impermeáel é fechado. Tanto o sistema aberto quanto o fechado podem trocar energia com a izinhança. O sistema é dito isolado se não tem contato térmico nem mecânico com suas izinhanças. Os conceitos de trabalho e calor são de fundamental importância na termodinâmica e suas definições deem ser compreendidas. Quando um corpo é deslocado contra uma força que se opõe ao deslocamento, existe trabalho. Equiale à alteração da altura de um peso nas izinhanças do sistema, como ocorre na expansão de um gás que empurra um pistão e prooca eleação de um peso. Em geral, nós consideraremos o trabalho como uma forma de transferência de energia. Chamamos de energia a capacidade de um sistema de realizar o trabalho. Quando se faz trabalho sobre um sistema, como a compressão de um gás, o alor da energia transferida como trabalho diminui. Por outro lado, quando o sistema realiza trabalho, como quando o gás comprimido empurra um pistão, a

2 energia transferida como trabalho aumenta. Entretanto, existem outras maneiras da energia ser alterada. No caso da energia ser modificada deida a diferença de temperatura entre o sistema e a izinhança, houe transferência de energia na forma de calor. Ele é definido como a forma de transferência de energia atraés da fronteira de um sistema, numa dada temperatura, a outro sistema ou à izinhança, que apresenta uma temperatura inferior, por causa desta diferença de temperatura. As fronteiras permeáeis à passagem de energia, na forma de calor, são diatérmicas e as que são impermeáeis, adiabáticas. Um processo que cede energia na forma de calor é exotérmico e um processo que absore calor é endotérmico. Na termodinâmica, a energia total de um sistema é definida como energia interna, U, e é caracterizada como a soma das energias cinética e potencial das moléculas do sistema. A energia interna é uma função de estado, por depender do estado em que o sistema está e não da forma pela qual o sistema chegou a este estado. A energia interna, o calor e o trabalho são medidos na mesma unidade SI, em joule, J. As ariações de energia interna molar ( U m ) são medidas, geralmente, em kj / mol. 2. Primeira lei da termodinâmica Experimentalmente obsera-se que e energia interna de um sistema pode ser alterada pela realização de um trabalho ou pelo aquecimento do sistema. Se W for o trabalho e Q a energia transferida como calor, temos: U = Q W Esta equação caracteriza a primeira lei da termodinâmica. Ela resume a equialência entre calor e trabalho e mostra a conseração de energia interna em um sistema isolado, ou seja, quando Q = 0 e W = 0, não há ariação de energia interna ( U = 0). Consideramos que se o sistema ganha

3 energia pelo trabalho ou pelo calor, então W < 0 e Q > 0, e se o sistema perde energia pelo trabalho ou pelo calor, então W > 0 e Q < Trabalho Trabalho de expansão é o trabalho realizado pela alteração do olume do sistema contra uma pressão que se opõe. Tomando o exemplo do gás que se expande empurrando um pistão, temos que h é a distância ertical moida do pistão pela ação do gás, m é a massa no pistão e, assim, mg é a força da graidade. A quantidade de trabalho produzida é: W = mgh Se a área do pistão é A, a pressão externa que age no pistão se opondo ao moimento é p ex = mg/a, usamos esta relação: Como área altura = olume, Então: W = p Ah, W = p ex ex V O termo de olume fica sendo ariação de olume por h se tratar da altura adicional à situação inicial: Ah = V 2 V 1 = V. O sinal de W é definido pelo sinal de V, já que p ex é sempre positio. Na expansão V = +, então W = + e a massa sobe. Na compressão V =, então W = e a massa desce. O trabalho destruído numa compressão é calculado usando a mesma equação empregada para determinação do trabalho produzido por expansão. 4. Trocas térmicas A energia interna de uma substância aumenta quando a temperatura se elea.

4 Podemos, por exemplo, aquecer um gás em um recipiente de olume fixo e fazer um gráfico com os alores da energia interna em função da temperatura. O coeficiente angular da cura traçada, para cada temperatura, é a capacidade calorífica com um olume constante, C. C U = T V As capacidades caloríficas são propriedades extensias (dependem da massa). No entanto, a capacidade calorífica molar a olume constante, C,m, é uma propriedade intensia e indica a capacidade calorífica por mol da amostra. Pode ser coneniente, às ezes, o uso da capacidade calorífica específica, ou calor específico, que é a capacidade calorífica da amostra diidida pela sua massa. Da equação da capacidade calorífica a olume constante tiramos a equação de ariação infinitesimal e integrando esta equação ficamos com a de ariação finita. du = C dt (ariação infinitesimal) (ariação finita) U = C T Finalmente, sendo o olume constante o U depende só de Q (W = 0) Q = C T Exercícios Propostos: 1. Calcular o trabalho para elear um corpo de massa 1,0 kg a uma altura de 10m da superfície: a) Da Terra (g = 9,81 m s -2 ) b) Da Lua (g = 1,60 m s -2 )

5 2. Sujeitando-se um mol de um gás ideal, C,m = 12,47 J / K mol, a árias mudanças de estado, qual será a ariação de temperatura em cada caso? a) Perda de 512 J de calor e destruição de 134 J de trabalho. b) Absorção de 500 J de calor e produção de 500 J de trabalho. c) Sem escoamento de calor e destruição de 126 J de trabalho. 3. Três mols de um gás ideal expandem-se, isotermicamente, contra uma pressão oposta de 100 kpa, de 20 para 60 dm 3. Calcule Q, W, U e H. prosseguirmos. Os conceitos dados nesta aula deem ser bem entendidos para