Leis da termodinâmica

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1 GOVERNO DO DISTRITO FEDERAL SECRETARIA DE ESTADO DE EDUCAÇÃO DO DISTRITO FEDERAL CENTRO DE ENSINO MÉDIO SETOR LESTE Exercício de Física - Prof. Flávio Ambrósio Leis da termodinâmica Lei zero: Se dois corpos estiverem em equilíbrio térmico com um terceiro, estarão em equilíbrio térmico entre si." A Primeira Lei trata de uma lei de conservação de energia, que pode ser aplicada a um sistema composto por um gás monoatômico contido em um recipiente. F P d O deslocamento do êmbolo exerce uma força sobre o bloco, realizando trabalho mecânico τ = F. d A figura 1 ao lado mostra um gás contido em um recipiente cilíndrico. A parte superior do cilindro pode se mover livremente e interagir com bloco de massa m. No interior, uma quantidade de água transformase em vapor ao ser aquecida. Figura 1 A variação do volume determina a realização de um trabalho mecânico, que somado à variação da energia interna, equivale a quantidade de calor trocada. Q quantidad de calor trocado τ trabalho mecânico U variação da energia interna Q = τ + U A primeira Lei aplicada a uma máquina térmica pode ser enunciada matematicamente como: Q 1 = τ + Q 2 Q 1 calor trocado com uma fonte quente. τ Trabalho exercido ou recebido pelo sistema Q 2 Calor trocado com uma fonte fria sob a forma de calor Uma máquina térmica opera em ciclos, trocando calor com uma fonte quente e uma fonte fria e recebendo ou realizando trabalho mecânico. Segunda Lei: É impossível converter o calor de uma fonte quente integralmente em trabalho mecânico, sem que haja uma perda de calor para o meio. Figura 2

2 As figuras abaixo mostram exemplos de máquinas térmicas que obedecem as leis da termodinâmica citadas anteriormente. Figura 3: Esquema do sistema de arrefecimento de um motor com 4 cilindros. Figura 4: imagem de um motor a combustão interna. Figura 5: Panela de pressão mostrando o vapor aquecido saindo pela válvula. Observe as figuras abaixo discuta com os colegas e o professor e respondas as questões que seguem.

3 Questão 1: A Primeira Lei da Termodinâmica pode ser expressa por: Q 1 = τ + Q 2, onde Q 1 é calor trocado com uma fonte quente, Q 2 é o calor trocado com uma fonte fria e τ é o trabalho realizado ou recebido pela máquina térmica. Observe o esquema da figura 7 abaixo e respondas as questões seguintes. Q 1 Q 2 Máquina Térmica τ Figura 7 a- Escolha os possíveis sentidos do fluxo de calor e trabalho que podem ser representados pela equação: Q 1 = τ + Q 2 b- Cite alguns exemplos que podem ser associados à questão anterior. 2) Refletindo sobre a segunda Lei da Termodinâmica, podemos fazer uma análise do rendimento de uma máquina térmica que é definido como: η = τ Q 1. Considerando uma máquina térmica perfeita, o rendimento pode chegar a 100%? Justifique. Q 1 = τ + Q 2 τ = Q 1 Q 2 η = Q 1 Q 2 Q 1 η = 1 Q 2 Q 1

4 A figura 8 ao lado auxilia na construção das equações que relacionam o trabalho e a variação de volume. 3) Considere o esquema acima e responda o que se pede abaixo. Figura 8 O trabalho τ pode ser calculado pelas equações: τ = P. V equação 3-a τ = F. d equação 3-b P = F A V = A. h d = h P é pressão, ΔV é a variação de volume, F é a força Δh é distância percorrida pelo êmbolo A é área do êmbolo Mostre que as duas equações 3-a e 3-b anteriormente são equivalentes. 4) Compare a força de sustentação de um carro com uma bicicleta, considerando as pressões P b = 50 lib (bicicleta), P c = 25 lib (carro) e as áreas em contato com o chão obedecendo a relação: A c = 10.A b (para cada pneu) Figura 9 Figura 10

5 As figuras e os gráficos abaixo têm o objetivo de auxiliar na compreensão das leis da termodinâmica. Observe cada gráfico e figura e procure fazer as associações com as equações que expressam as leis e relações entre grandezas. Figura 11 Gráfico 1 O gráfico 1 acima representa a variação de volume à pressão constante em um cilíndro como o da figura ao lado. O trabalho realizado pode ser medido pela área do retângulo de lados p e V. Questão 4: calcule o trabalho realizado por um cilindro cuja a variação de volume é de 0,5 litros a uma pressão constante de 5, N/m 2 Questão 5: Calcule o trabalho realizado no ciclo representado no gráfico 2, considerando: p 1=2, N/m 2 p 2=5, N/m 2 V 0=0,1 litros. Gráfico 2 O gráfico 2 acima representa um ciclo completo de um cilindro da figura 9. O trabalho realizado pode ser medido pela área do paralilogramo ABCD. Questão 6: Utilize a equação: P.V = constante e T explique a construção do gráfico 3. Gráfico 3 O gráfico 3 ao lado representa duas curvas de temperatura constante no gráfico de pressão por volume.

6 O gráfico 4 ao lado representa um ciclo completo de uma máquina ideal, com duas partes adiabáticas (sem trocas de calor) e duas partes isotérmicas (se variação de temperatura). Questão 7: Faça uma associação entre a primeira da termodinâmica e o gráfico 4. Gráfico 4 Questão 8: Faça uma associação entre a segunda da termodinâmica e o gráfico 4.