Profª Drª Marivone Nunho Sousa -...

Profª Drª Marivone Nunho Sousa

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - EEL

Sadi Carnot1796 - 1832

Wiliam ThomsonLord Kelvin1824 - 1907

Emile Clapeyron1799 - 1864

James Joule1818 - 1889

Rudolf Clausius1822 - 1888

ALGUNS ILUSTRES PESQUISADORES QUE CONSTRUÍRAM A TERMODINÂMICA

“Energia usada p/fazer c/que um

objeto se mova”

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

Função de estado:

depende do estado no qual osistema está, não do modo quechegou

U = Ufinal - Uinicial

Transformação

P1

V1

T1

U1

P2

V2

T2

U2

Estado 1 Estado 2TRANSFORMAÇÃO

Variáveis de Estado Variáveis de Estado

Estado 1

Processos Durante a transformação

Isotérmico Temperatura CONSTANTE

Isobárico Pressão CONSTANTE

Isovolumétrico volume CONSTANTE

Adiabático Q = 0 (NÃO HÁ TROCA DE CALOR)

“Caminho” descrito pelo sistema na transformação .

PROCESSOS

P1

V1

T1

U1

P2

V2

T2

U2

sistema wFornece energia

w > 0

sistema wRetira energia

w < 0

sistema qRecebe calor

q > 0

sistema qLibera calor

q < 0

CONVENÇÃO DE SINAIS EM TERMODINÂMICA

Lei da conservação da energia: a energia em um sistema pode manifestar-sesob diferentes formas como calor e trabalho.

•A energia pode ser interconvertida de uma forma para outra, mas aquantidade total de energia do universo, isto é, sistema mais meio externo,conserva-se.

A ENERGIA INTERNA DE UM SISTEMA ISOLADO É CONSTANTE

Variação na energia interna do sistema

Calor trocado

pelo sistema

Trabalho realizado pelo

sistema

WQU

O PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA

1 2

I

II

III

•Função de estado: É aquela propriedade que em uma transformação que leva umsistema 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.

QI QII QIII

WI WII WIII

QI - WI = QII - WII = QIII - WIII

•Quando a transformação for cíclica

U =0 porque U1 = U2

Q = W

+

+

Considere um gás ideal em uma câmara de pistão, em que o volume inicial éde 2 L e a pressão inicial é de 8 atm. Considere que o pistão está subindo (istoé o sistema está expandindo) até um volume de 5,5 L, contra uma pressãoexterna constante de 1,75 atm. Também considere uma temperaturaconstante durante o processo.

a) Calcule o trabalho para o processo;

b) Calcule a pressão final do gás.

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.

U = qv

Calor fornecido ao sistema leva a um aumento da temperatura

podendo ser medido por um calorímetro.

atemperaturdeaumento

fornecidocalorcaloríficacapacidade

T

qc

cs = capacidade calorífica específica (cs = C/m);

cm = capacidade calorífica molar (cm = C/n).

JK-1mol-1 E JK-1g-1

calºC-1mol-1 E calºC-1g-1

CALOR

ΔU = Q - W

Entalpia : calor fornecido para fazerum trabalho de expansão a P = cte

Movimento rápido do êmbolo Q = 0

O processo ocorre tão rapidamente que o sistema não troca

calor com o exterior.

WÁrea sob o gráfico

01. Um sistema termodinâmico recebe, sob forma de calor, 600 J enquantorealiza 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.

EXERCÍCIOS

03. O gráfico abaixo mostra a evolução de um gás ideal sob pressãoconstante de 10 N/m2, 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 otrabalho realizado sobre o gás e a variação de sua energia interna.

04. A interação das moléculas de um gás com o recipiente que o contémdetermina as transformações que o sistema pode sofrer. Levando em conta asvariáveis de um gás perfeito num sistema termodinâmico – pressão, volume,temperatura (ou energia interna) e calor – podem-se considerar quatrotransformações: isobárica, isotérmica, isométrica e adiabática. O gráfico abaixorepresenta a transformação de um sistema termodinâmico constituído por umaamostra 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 ogás.

05. Certa quantidade de ar contido num cilindro com pistão é comprimidaadiabaticamente, realizando-se um trabalho de −1,5 kJ. Calcule os valores docalor trocado com o meio externo e da variação de energia interna do ar nessacompressão adiabática.

06. Considere as informações e a figura a seguir:Um cilindro de metal dotado de um êmbolo móvel, em cujo interior se encontra umgás em equilíbrio termodinâmico, é semelhante a uma bomba de encher pneus debicicleta 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 ao calor liberado para o meio externo.

07. 20 litros de gás hidrogênio contido num recipiente de aço a 27 ºC e àpressão de 50 atm é expandido reversivelmente sem variação de temperaturaaté 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 umapressão externa constante de 200 Torr até o seu volume aumentar 3,3 L.b) Calcule o trabalho se a expansão fosse realizada reversivelmente à temperaturaconstante.

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 entalpiaquando um mol do gás é aquecido de 0 ºC até 100 ºC:a) à pressão constante.b) à volume constante.

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