termodinamica aula
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TermodinâmicaTRANSCRIPT
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FísicaEnsino Médio, 2ª Série
Primeira lei da termodinâmicaAdaptado do original
www.cicdamas.com.br/prof-files/admin/downloads/termodinamica PE. perfeito.pptx
Prof.(a) Cristiane
Colégio Estadual Dom Helder Câmara
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FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica
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.
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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).
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Imagem: SEE-PE redesenhada com base em http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_08.asp
Imagem: Arturo D. Castillo / Creative Commons Attribution 3.0 Unported.
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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.
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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.
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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).
∆U = Q - δ
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Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.
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Quando o gás se expande, temos uma variação de volume positiva (∆V>0∆V>0). Então dizemos que o gás realizou trabalho (δδ>0>0), pois é a força do gás que desloca o êmbolo.
Quando o gás é comprimido, temos uma variação de volume negativa (∆V<0∆V<0). Então dizemos que o trabalho foi realizado sobre o gás (δδ<0<0), pois uma força externa desloca o êmbolo.
FF
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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:
TRn23
U ΔTRn23
ΔU
n – número de mols do gás;R – constante universal dos gases (8,31 J/mol.K);T – temperatura do gás.
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Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.
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Calor recebido
Calor cedido
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Numa transformação isotérmica,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 Recebido
Calor cedido
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Numa transformação adiabática,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)
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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.
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Imagens (de cima para baixo): a – Air pump / Priwo / Public Domain; b – Football / flomar / Public Domain; c – Aerosol / PiccoloNamek / GNU Free Documentation License.
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TransformaçãoIsovolumétrica
Transformação
Adiabática
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01. 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
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Se o sistema recebeu 200 calorias e 1 cal = 4Joules, então a energia recebida em Joules será...
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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...
∆U = Q - δ
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02. (Unesp 1999) 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.
a) o trabalho realizado pelo gás;b) A variação de energia interna do gás no processo
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:
Próximo Problema
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Imagem: SEE-PE redesenhada com base em http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26
Questão: http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26
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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.
FF400N
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...
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d =
0,0
2m
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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 ...
∆U = Q - δ ∆U = 28 – 8
∆U = 20 J
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05.05. 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.
04.04. 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.
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∆U = Q – δ∆U = 100 – 70
∆U = 30∆U > 0, logo aumenta
∆U = Q – δCompressão isotérmica : ∆U = 0
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06.06. 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.
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∆U = Q – δ∆U = 40 – 10
∆U = 30 J ∆U > 0, logo aumenta
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07.07. 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.
08.08. 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.
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∆U = Q – δCompressão adiabática: Q = 0
∆U = – δ∆U = – (–1,5) = 1,5 J
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11.11. 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.
10.10. 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.
FÍSICA - 2º ano do Ensino MédioPrimeira lei da termodinâmica
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Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso
2a Eolípila: Katie Crisalli para a U.S. Air Force /
United States public domain.http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aeolipile.jpg
16/03/2012
2b Heron de Alexandria: Autor desconhecido / United States public domain.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Heron.jpeg
16/03/2012
2c Locomotiva a vapor / Don-kun / Public domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DD-Oybin1088.jpg
16/03/2012
2d Sala de máquinas penteadeiras a vapor Heilmann / Armand Kohl / Public domain.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Armand_Kohl48.jpg
16/03/2012
3a SEE-PE, Imagem produzida com base na imagem de Autor Desonhecido situada em http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_08.asp
Imagem produzida com base em http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_08.asp
16/03/2012
3b Arturo D. Castillo / Creative Commons Attribution 3.0 Unported.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sol07.svg
16/03/2012
4a Lewis W. Hine , Yale University Art Gallery/ Public Domain
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Making_Pittsburgh_Stogies_by_Lewis_Hine.jpeg
16/03/2012
4b Roger May / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:17th_Century_Water_Mill_-_geograph.org.uk_-_43368.jpg
16/03/2012
4c Emoscopes / GNU Free Documentation License. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Newcomen_atmospheric_engine_animation.gif
16/03/2012
5 Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FireIcon.svg
16/03/2012
Tabela de Imagens
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Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso
7 Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/
File:FireIcon.svg16/03/2012
11a Air pump / Priwo / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Luftpumpe-01.jpg
16/03/2012
11b Football / flomar / Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Football_%28soccer_ball%29.svg
16/03/2012
11c Aerosol / PiccoloNamek / GNU Free Documentation License.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aerosol.png
16/03/2012
16 SEE-PE, Imagem produzida com base na imagem de Autor Desonhecido situada em http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26
http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26
16/03/2012
24 SEE-PE, Imagem produzida com base na imagem de Autor Desonhecido situada em http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q=9144&t=
http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q=9144&t=
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Tabela de Imagens