TMA

01

Capitulo 02 – Primeira Lei

Pontos Importantes: Apresentar definição e conceitos de Energia Apresentar definição e conceitos de Calor Apresentar definição e conceitos de Trabalho Discutir o conceito de reversibilidade Apresentar o princípio de conservação de energia

Sistemas e vizinhanças : Sistema termodinâmico = região macroscópica do universo que é selecionado para análise.

Quando definimos um sistema temos que definir também a sua vizinhança e sua fronteira.

Vizinhanças = São partes do universo que são vizinhas ao sistema em análise.

Fronteira = é a interface imaginária entre o sistema e suas vizinhanças.

TMA

02

Tipos de sistema

Sistema aberto ou fechado : Sistema isolado :

A pele humanaUma garrafa

térmica perfeitaUm erlenmeyer

TMA

03

Tipos de sistema

Relembrando :

Sistema de um componente ou multicomponente

Sistema homogêneo ou heterogêneo

Sistema reativo ou não reativo

Sistema simples ou complexo

TMA

04

Tipos de sistema

Sistemas termodinâmicos

Tipo (Exemplo)

Isolado ( universo)

Fechado ( uma máq. de Pebolim)

Adiabático(Garrafa térmica perfeita)

Aberto ( um aquário)

Não existe troca de matéria nem energia com as vizinhanças

Energia pode passar pela fronteira, mas matéria não

Não existe transferência de energia na forma de calorAmbos, energia e matéria podem atravessar a fronteira

Tipos de Processo

Adiabático

Isocórico

Isotérmico

Isobárico

Isentálpico

Isentrópico

Processo ocorre sem troca de calor

Isométrico ou isovolumétrico – Volume constante

Processo ocorre a temperatura constante

Processo ocorre a pressão constante

Processo ocorre a entalpia constante

Processo ocorre a entropia constante

TMA

05

Tipos de fronteira

Fronteira Diatérmica :

Tipos de fronteira:

Fronteira rígida (não transmite força mecânica)

Fronteira impermeável (não transmite massa)

Fronteira adiabática (não transmite calor)

Fronteira Adiabática :

TMA

06

Energia

•É a propriedade de um sistema que pode ser convertida em trabalho

•Pode ser armazenada dentro de sistemas em várias formas macroscópicas

•Pode ser transferida entre sistemas e também transformada de uma forma para outra

•Esta transferencia pode ocorrer por meio de calor e trabalho

•A quantidade total de energia permanece constante em todas as transformações e transferências

Podemos definir três tipos de energia principais:

Energia cinética: energia associada a qualquer tipo de movimentoEnergia potencial: é capaz de promover mudança de posição em relação a um campo gravitacionalEnergia interna: a energia interna de um sistema é a energia associada com as condições internas do sistema.

TMA

07

Energia

Energia cinética: Está associado ao efeito de uma força tendo como resultado um deslocamento

sds e s entre F de balhoTrasd.F

Variação da energia CinéticaEntre S1 e S2

Trabalho da força resultante =

Energia transferida ao corpo =

Sistema(Corpo)

ForçaSistema(Corpo)

Acumulo de energia armazenada no corpo na forma de energia cinética

21

22 VVm

2

1EC

TMA

08

Energia

Energia potencial: é capaz de promover mudança de posição em relação a um campo gravitacional

mgh)nalgravitacio(Ep r4

qq)elétrica(E

0

21p

Energia interna: é a energia associada ao movimento de átomos e moléculas que constituem os materiais e que possuem liberdade de movimento que pode ser de translação, rotação e/ou vibração.

Unidade de energia: SI (J) Joule 1J=1kgm2s-2

eV (eletron-volt) 1eV é a energia cinética que adquire 1 e acelerado por uma diferença de potencial de 1V. Caloria (cal) 1 cal é a energia suficiente para elevar de 1oC a temperatura de 1g de H2O

TMA

09

Trabalho = transferencia de energia

• Calor é o fluxo de energia movida por uma diferença de temperatura

• TRABALHO é o fluxo de energia motivado por qualquer outra força motriz.

TMA

10

Trabalho

•Existe trabalho quando um corpo é

deslocado contra uma força que se

opõe ao deslocamento.

•O trabalho é determinado pelo

produto da força envolvida e o

deslocamento provocado

•Toda forma de transferência de

energia que não envolva gradientes de

temperatura

TMA

11

Trabalho

Trabalho é toda forma de energia diferente do calor: pode ser

trabalho mecânico, elétrico, magnético. Assim trabalho engloba

todas as formas de trabalho, inclusive mecânico.

Espécie de trabalho dW Comentário Unidade

Expansão -pexdV pex – pressão externa Pa

dV – variação do volume m3

Expansão superfi cial d - tensão superfi cial Nm-1

d - variação de área m2

Extensão fdl f – tensão N

dl – variação do comprim. M

Elétrico dq - potencial elétrico V

dq variação carga elétrica C

Espécie de trabalho dW Comentário Unidade

Expansão -pexdV pex – pressão externa Pa

dV – variação do volume m3

Expansão superfi cial d - tensão superfi cial Nm-1

d - variação de área m2

Extensão fdl f – tensão N

dl – variação do comprim. M

Elétrico dq - potencial elétrico V

dq variação carga elétrica C

TMA

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Energia e Trabalho

Quando se faz trabalho sobre um sistema, a capacidade de o

sistema efetuar trabalho aumenta, e a energia do sistema

aumenta.

Quando o sistema efetua trabalho, há redução da energia do

sistema pois diminui a capacidade de realizar trabalho.

EXEMPLO:

Um exemplo cássico de trabalho mecânico considera a compressão de um gás em um cilindro de um motor.

Considerando o gás como sistema

o trabalho é realizado sobre o sistema pela superfície do pistão

TMA

13

Trabalho

F

l

VPlAA

FlFW

O trabalho é a pressão de resistência multiplicada pela variação volumétrica.

Unidade de trabalho: SI J (Joule) - quando a pressão é expressa em N/m2 ou Pa, e o volume é expresso em metros cúbicos.

2

1

PdVW

TMA

14

O trabalho é uma transferência de energia que se aproveita de movimento organizado

O trabalho é a forma de transferência de energia que muda a direção de movimento dos átomos que compõem o sistema

Trabalho e movimento atômico

Energia

Trabalho

W < 0Energia

Trabalho

W > 0

TMA

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Trabalho

Diga, para cada situação, se há trabalho realizado pelo sistema, sobre o sistema ou se nenhum trabalho é realizado.

(A) Um balão expande enquanto um pequeno pedaço de gelo seco sublima dentro do balão. (balão=sistema)

R. Já que o volume do balão aumenta, não há dúvida de que ele estárealizando trabalho. O trabalho é realizado pelo sistema.

(B) As portas do compartimento de carga do trem espacial são abertas no Espaço, liberando um pouco da atmosfera residual. (compartimento de carga=sistema)

R. As portas se abrem para o vácuo, portanto trata-se de uma expansão livre (contra pressão nula). Nenhum trabalho é realizado.

(C) O CHF2Cl, um gás refrigerante, é comprimido no ar condicionado, para ser liquefeito. (CHF2Cl = sistema)

R. Já que o volume do CHF2Cl diminui quando é comprimido, trabalho é realizado sobre o gás. O trabalho é realizado sobre o sistema.

(D) Uma lata de tinta spray é descarregada contra uma parede. (lata = sistema)

R. A lata não muda de volume. Se a lata for o sistema, então: Nenhum trabalho é realizado. O trabalho é realizado pelo próprio spray, que aumenta seu volume contra a pressão atmosférica constante.

TMA

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Energia e Calor

É a energia transferida entre o sistema e a vizinhança em função

de variações de temperatura – Calor é energia em transito

•Processos exotérmicos – cede energia na forma de calor

•Processos endotérmicos – absorvem calor Adiabático Diatérmico

(a) Processo endotérmico num sistema com fronteiras adiabáticas(b) Processo exotérmico num sistema com fronteiras adiabáticas(c) Processo endotérmico num sistema com fronteiras diatérmicas(d) Processo exotérmico num sistema com fronteiras diatérmicas

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Calor é a transferência de energia que se aproveita do movimento caótico das moléculas (movimento térmico) como calor é uma variável do sistema não podemos dizer que o sistema possui calor. O calor é considerado como energia em transito

Calor e movimento atômico

Energia

Calor

q < 0Energia

Calor

q > 0

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A primeira Lei

Define um conceito de energia interna como a energia total de um sistema na termodinâmicaA variação da energia interna é dada pela diferença entre energia interna final menos energia interna inicial (Função de estado)Energia interna pode ser alterada através da realização de trabalho (w) ou através da transferência de calor (q)

TMA

19

A primeira Lei

A energia interna :é uma função de estadoé uma propriedade extensivaCalor e Trabalho não são funções de estadoEnergia interna, trabalho e calor medem-se em Joule (SI)

TMA

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Quando um sistema fechado sofre uma série de transformações que o levam a um estado final idêntico ao estado inicial, ao longo das quais ele troca com o meio externo apenas trabalho e calor, a soma algébrica das quantidades de trabalho e calor recebidas pelo sistema é nula.Quando um sistema fechado, passa do estado A ao estado B, e ao faze-lo troca com o meio exterior apenas calor e trabalho, a soma algébrica Q + W das quantidades de calor e trabalho que ele recebe depende apenas do estado inicial e final, e é independente do processo pelo qual se deu a mudança de estado.

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JAMES JAULE

TMA

22

TMA

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A primeira Lei

A energia interna de um sistema pode ser alterado pelo trabalho efetuado sobre o sistema ou pelo aquecimento do mesmo.Se um sistema estiver isolado das suas vizinhanças não haverá alteração da energia interna

SISTEMA ISOLADO a variação de energia interna = 0SISTEMA FECHADO variação da energia interna = função de q e wSISTEMA COM FRONTEIRA ADIABÁTICA q=0 variação da energia interna = função de w Convenção - w e q > 0 se o sistema ganha energia e w e q < 0 se o sistema perde energia

WQU WQdU

TMA

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Convensão de sinais

-Calor fornecido ou liberado pelo sistema – Sinal negativo

-Calor absorvido pelo sistema – Sinal positivo

-Trabalho executado pelo sistema, contra as forças de pressão externas, seu sinal é negativo

-Trabalho executado sobre o sistema, pela força de pressão externa, seu sinal é positivo

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25

TMA

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Expansão

Variação de volume – pode ser positivo ou negativo

dVpdw ex

f

i

V

V

exdVpw

Fdzdw

O trabalho é positivo quando é realizado no sistema pelas vizinhanças, e negativo se o sistema realiza trabalho sobre a vizinhançaO sinal negativo nos informa que quando o sistema desloca o corpo contra a força, a energia interna do sistema que efetua o trabalho diminui.

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Trabalho

Expansão livre

Expansão livre é a expansão contra uma força nula. Ocorre quando a pressão externa é zero. W=0.

TMA

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Trabalho

Expansão contra pressão constanteConsidera a pressão externa como constante para todo o processo de expansão. Exemplo quando a pressão externa é a pressão atmosférica

Diagrama indicador

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Trabalho

Expansão reversívelÉ uma transformação que pode ser invertida pela modificação infinitesimal de uma variável

Reversível X Irreversível

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Trabalho

Expansão reversível , isotérmica, de gás idealConsiderando um gás ideal PV=nRT

i

f

V

V V

VlnnRT

V

dVnRTw

f

i