Primeira Lei Termodinâmica, Notas de estudo de Engenharia Informática
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PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA

A TERMODINÂMICA É O ESTUDO DAS RELAÇÕES ENVOLVENDO CALOR, TRABALHO MECÂNICO E OUTROS ASPECTOS DA ENERGIA OU A CONVERSÃO ENTRE TIPOS DE ENERGIA.

A 1ª LEI DA TERMODINÂMCIA, FUNDAMENTAL PARA ENTENDER TAIS PROCESSOS, É UMA EXTENSÃO DO PRINCÍPO DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA. ELA AMPLIA ESTE PRINCÍPIO DE MODO A INCLUIR TROCAS DE ENERGIA TANTO POR TRANSFERÊNCIA DE CALOR QUANTO POR REALIZAÇÃO DE TRABALHO E INTRODUZ O CONCEITO DE ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA.

SISTEMA TERMODINÂMICO - É AQUELE QUE INTERAGE (E TROCA ENERGIA) COM SUAS VIZINHANÇAS, OU AMBIENTE, PELO MENOS DE DOIS MODOS DIFERENTES: - TRANSFERÊN_ CIA DE CALOR; - REALIZAÇÃO DE TRABALHO.

O SISTEMA PODE SER UM DISPOSITIVO MECÂNICO, UM ORGANISMO BIOLÓGICO OU UMA QUANTIDADE DE MATERIAL TAL COMO O REFRIGERANTE EM UM CONDICIONADOR DE AR OU O VAPOR QUE SE EXPANDE EM UMA TURBINA.

TRABALHO REALIZADO DURANTE VARIAÇÕES DE VOLUME

NA TERMODINÂMICA A ENERGIA ESTÁ RELACIONADA À QUANTIDADE DE CALOR Q CEDIDA OU RECEBIDA PELO SISTEMA, BEM COMO AO TRABALHO W REALIZADO PELO OU SOBRE O SISTEMA.

CONSIDERAREMOS O TRABALHO REALIZADO PELO SISTEMA SOBRE O MEIO EXTERNO UM TRABALHO POSITIVO; E UM TRABALHO NEGATIVO O TRABALHO REALIZADO PELO MEIO EXTERNO SOBRE O SISTEMA. PODEMOS ENTENDER O TRABALHO REALIZADO POR UM GÁS DURANTE UMA VARIAÇÃO DE VOLUME CONSIDERANDO AS MOLÉCULAS QUE COMPÕEM O GÁS.

O TRABALHO REALIZADO PELO SISTEMA DURANTE UMA VARIAÇÃO VOLUMÉTRICA SE DETERMINA:

ENTÃO, TEM-SE:





2

1

:var,tan

,

,

V

V pdVW

volumedefinitaiaçãoumaparatopor pdVdW

assim dVAdx

mas pAdxFdxdW

AGORA, PARA CALCULAR A INTEGRAL NA EQUAÇÃO ANTERIOR DEVEMOS SABER COMO A PRESSÃO VARIA EM FUNÇÃO DO VOLUME. PODEMOS REPRESENTAR ESTA FUNÇÃO POR UM GRÁFICO DE pversusV.

EXERCÍCIO: EXPANSÃO ISOTÉRMICA DE UM GÁS IDEAL - UM GÁS IDEAL SOFRE UMA EXPANSÃO ISOTÉRMICA (TEMPERATURA CONSTANTE) PARA UMA TEMPERATURA T, ENQUANTO O VOLUME VARIA ENTRE OS LIMITES V1 E V2. QUAL É O TRABALHO REALIZADO PELO GÁS?

CAMINHOS ENTRE ESTADOS TERMODINÂMICOS

QUANDO UM SISTEMA TERMODINÂMICO VARIA DE UM ESTADO INICIAL ATÉ UM ESTADO FINAL, ELE PASSA POR UMA SÉRIE DE ESTADOS INTERMEDIÁRIOS, QUE SE DENO_ MINA DE CAMINHO. SE OS ESTADOS INTERMEDIÁRIOS FOREM ESTADOS DE EQUILÍBRIO, O CAMINHO PODE SER REPRESENTADO USANDO-SE UM DIAGRAMA pV.

COM BASE NO PROCESSO TERMODINÂMICO ACIMA, CONCLUI-SE QUE O TRABALHO REALIZADO PELO SISTEMA DEPENDE NÃO SOMENTE DOS ESTADOS INICIAL E FINAL, MAS TAMBÉM DOS ESTADOS INTERMEDIÁRIOS, OU SEJA, DEPENDE DO CAMINHO.

ENERGIA INTERNA E PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA

A ENERGIA INTERNA DA MATÉRIA É A SOMA DAS ENERGIAS CINÉTICAS DE TODAS SUAS PARTÍCULAS CONSTITUINTES ACRESCIDA DA SOMA DE TODAS AS ENERGIAS POTEN_ CIAIS DECORRENTES DAS INTERAÇÕES ENTRE AS PARTÍCULAS DO SISTEMA.

SABEMOS QUE A TROCA DE CALOR É UMA TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA. ASSIM:

• QUANDO FORNECEMOS UM CALOR Q A UM SISTEMA E ELE NÃO REALIZA NENHUM TRABALHO DURANTE O PROCESSO, A ENERGIA INTERNA AUMENTA DE UM VALOR IGUAL A Q; ISTO É, U = Q.

• QUANDO UM SISTEMA REALIZA UM TRABALHO W DE EXPANSÃO CONTRA O MEIO EXTERNO (AMBIENTE) E NENHUM CALOR É FORNECIDO AO SISTEMA (Q =0) NESTE PROCESSO, SUA ENERGIA INTERNA DIMINUI. OU SEJA, QUANDO W > 0 A U < 0, E VICE- VERSA. LOGO U = -W.

• QUANDO OCORRE UMA TRANSFERÊNCIA DE CALOR JUNTAMENTE COM UM TRABALHO REALIZADO, A VARIAÇÃO TOTAL DA ENERGIA INTERNA É DADA POR:

U = Q - W

OU, AINDA:

Q = U + W (1ª LEI DA TERMODINÂMICA)

UMA VEZ QUE W E Q SÃO GRANDEZAS POSITIVAS, NEGATIVAS OU NULAS, A VARIAÇÃO DE ENERGIA INTERNA PODE SER POSITIVA, NEGATIVA OU NULA EM PROCESSOS DIFERENTES, CONFORME ILUSTRA A FIGURA ABAIXO.

A EXPERIÊNCIA PERMITIU CONCLUIR QUE EMBORA Q E W DEPENDAM DO CAMINHO, U = Q - WÉ INDEPENDENTE DO CAMINHO. A VARIAÇÃO DA ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA DURANTE QUALQUER PROCESSO TERMODINÂMICO DEPENDE SOMENTE DO ESTADO INICIAL E DO ESTADO FINAL DO SISTEMA, E NÃO DO CAMINHO QUE CONDUZ UM ESTADO AO OUTRO.

CASOS ESPECIAIS DA 1ª LEI DA TERMODINÂMICA:

• TEM-SE QUE UMA SUCESSÃO DE ETAPAS QUE EVENTUALMENTE FAZEM O SISTEMA RETORNAR AO SEU ESTADO INICIAL DENOMINA-SE PROCESSO CÍCLICO. PARA ESTE PROCESSO O ESTADO INICIAL É IDÊNTICO AO ESTADO FINAL E A VARIAÇÃO TOTAL DA ENERGIA INTERNA DEVE SER IGUAL A ZERO. LOGO,

U2 = U1 E Q = W

QUANDO UM TRABALHO TOTAL W FOR REALIZADO PELO SISTEMA DURANTE ESTE PROCES_ SO, UMA IGUAL QUANTIDADE DE ENERGIA DEVE SER TRANSFERIDA PARA O INTERIOR DO SISTEMA NA FORMA DE CALOR Q. PORÉM NEM Q NEM W SÃO NECESSARIAMENTE IGUAIS A ZERO.

• EM UM SISTEMA ISOLADO, AQUELE QUE NÃO TROCA NEM CALOR NEM TRABALHO COM O MEIO EXTERNO, TEM-SE PARA QUALQUER PROCESSO TERMODINÂMICO:

W = Q = 0 E, PORTANTO, U = U2 - U1 = 0.

LOGO, A ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA ISOLADO PERMANECE CONSTANTE.

EXERCÍCIOS:

1º) O DIAGRAMA pV DA FIGURA ABAIXO INDICA UMA SÉRIE DE PROCESSOS TERMODINÂMICOS. NO PROCESSO ab, 150 J DE CALOR SÃO FORNECIDOS AO SISTEMA E NO PROCESSO bd, 600 J DE CALOR SÃO FORNECIDOS AO SISTEMA. DETERMINE: (A) A VARIAÇÃO DA ENERGIA INTERNA NO PROCESSO ab; (B) A VARIAÇÃO DA ENERGIA INTERNA NO PROCESSO abd; (C) A VARIAÇÃO DA ENERGIA INTERNA NO PROCESSO acd.

2º) TERMODINÂMICA DA EBULIÇÃO DA ÁGUA – UM GRAMA DE ÁGUA (1 cm³) SE TRANSFORMA EM 1671 cm³ QUANDO OCORRE O PROCESSO DE EBULIÇÃO A UMA PRESSÃO CONSTANTE DE 1 atm (1,013 x 105 Pa). O CALOR DE VAPORIZAÇÃO PARA ESTA PRESSÃO É DADO POR Lv = 2,256 x 106 J/kg.

CALCULE: (A) O TRABALHO REALIZADO PELA ÁGUA QUANDO ELA SE TRANSFORMA EM VAPOR; (B) O AUMENTO DA SUA ENERGIA INTERNA.

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