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Prova de DesempenhoConcurso para docente do IFPE Edital 125/2016-GR
Professor candidato: Carlos Augusto Cabral Kramer
TERMODINÂMICAPrimeira Lei | Energia interna | Trabalho | Calor
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O QUE VAMOS APRENDER NESTA AULA?
•Princípio da conservação da energia;
•O conceito de energia interna;
•Primeira lei da termodinâmica;
•Energia interna de um gás ideal;
•Conceitos de trabalho e calor;
•Classificação dos sistemas
termodinâmicos;
•Conceito de trabalho reversível e
irreversível;
•Trabalho de compressão/expansão de um
pistão;
•Trabalho de expansão livre, extra e nulo
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DE ONDE VEM A ENERGIA DO USAIN BOLT?
Figura 01. Usain Bolt nas olimpíadas do Rio 2016
http://giphy.com/gifs/usain-bolt-PGMyvQrupEd20, 2016
Figura 02. Alimentos
Fonte: http://greenstore4u.com/, 2016
Alimentos O2(g) CO2(g) H2O(l) EnergiaDigestão
Reação biológica de obtenção de energia
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A GRANDE SACADA DE JULIUS MAYER
Fonte: http://www.mundobiologia.com/
Figura 03. Estrutura da Hemoglobina
Figura 04. Hemácia
Fonte: http://www.mundobiologia.com/
Transporte dos gases
Figura 05. Tipos de sangue
Fonte: http://image.slidesharecdn.com, 2016
Rico em CO2
Rico em O2
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A GRANDE SACADA DE JULIUS MAYER
Figura 06. Julius Robert von Mayer
Em 1840 trabalhava como médico no navio cargueiro Java e como procedimento para diminuição da pressão cardíaca dos marinheiros retirava-lhe pequenas quantidades de sangue arterialPercebeu que em regiões tropicais o sangue venoso era mais avermelhado que nas regiões temperadas, pois o consumo de oxigênio era menor.
Energia dos alimentos
Calor (q) Trabalho (w)
Fonte: http://www.nndb.com/, 2016
Figura 07. Temperatura de funcionamento do corpo
humano é de 37 oC
Figura 08. O corpo humano realiza inúmeros trabalhos ao mesmo tempo
Fonte: http://www.nndb.com, 2016Fonte: http://www.nndb.com, 2016
Um dos principais fundadores da termodinâmica...
PRINCÍPIO DA EQUIVALÊNCIA ENERGÉTICA
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365 m
Mayer dedicou grande parte de sua vida ao estudo da dinâmica energética. Em 1842 calculou que a energia necessária para elevar 1g de água a 365 m é igual a energia necessária para elevar a temperatura desta mesma massa de água de 0 para 1 oC
Fonte: http://br.depositphotos.com/, 2016 Fonte: AUTOR, 2016
~4,18J
Figura 09. Trabalho para subir 365 m Figura 10. Elevação de 1 oC
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A GRANDE SACADA DE JULIUS MAYER
Cada batida do coração custa 1J de energia
Fluxo da sangue (trabalho)
Transformação em calor
20% 80%343 kcal = 1441 KJ
Uma unidade
1.441.000 batimentos cardíacos (15 dias a 60 bat/min)
288.200J para o fluxo de sangue e 1.152.800J em calor
1J
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PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA
Em 1845 Joule estudou diferentes formas de converter trabalho em calor
Fonte: http://www.thefamouspeople.com, 2016
Figura 11. James Prescott Joule
Aquecimento elétrico, compressão de gases e movimento de moinhos mecânicos
Para elevar em 1 oC a temperatura da água é necessário ~4,18J
Em 1840 publicou um artigo sobre o efeito térmico da corrente elétrica:
q = I2RΔt
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PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Mayer
Joule
Aprimoramento matemático Helmholtz
PRIMEIRA LEI
Conservação da energia
Energia interna = Calor + Trabalho dU = dq + dw
ΔU = Q + W
SISTEMA TERMODINÂMICO
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Universo (limite de estudo)
Sistema
Vizinhança do sistema
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SISTEMA TERMODINÂMICO
Sistema aberto
Sistema Fechado
Sistema Isolado
Calor Matéria
Calor
Fronteira Diatérmica
Fronteira Adiabática
ΔU sempre será = 0
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A ENERGIA INTERNA
Figura 12. Erlemeyer com gasolina
Fonte: http://quatrorodas.abril.com.br/, 2016
A energia interna pode descrita como resultado de duas energias principais
•Energia cinética
•Energia Potencial
2C8H18(l) + 25O2(g) --> 16CO2(g) + 18H2O(g) + 10.942kJ
Figura 13. Temperatura do motor com o carro em movimento
Fonte: http://quatrorodas.abril.com.br/, 2016
Reação de combustão do octano – constituinte da gasolina
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É uma propriedade extensiva e uma função de estado A B
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2ΔU = Ufinal – Uinicial = UB - UA
A ENERGIA INTERNA
2C8H18(l) + 25O2(g) 16CO2(g) + 18H2O(g)
UA UB= ? = ?
10.942 kJ
Combustão do octano
ΔU = Ufinal – Uinicial = UB – UA = 10.942 kJ
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01 – Um motor produz 56KJ de trabalho e 14KJ de calor. Qual a variação de energia interna?
02 – Após 5 pessoas sentarem em um carro realizou-se um trabalho de compressão dos amortecedores de 300 KJ e 50 KJ se dissipou na forma de calor. Qual a variação de energia interna do amortecedor?
R: +250 KJ
R: -70KJ
Fonte: BoxOnline.blog.br, 2016
Figura 16. Amortecedor
Resolvendo com o professor
Resolvendo com o professor
A ENERGIA INTERNA
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A ENERGIA INTERNA DE UM GÁS Teorema da equiparação da energia (Maxwell)
U = Upotencial + Ucinética
Gás monoatômico: U = 3RT 2
Gás de molécula linear: U = 5RT 2 Gás de molécula não-linear: U = 3RT
0
He1mv² x
21mv² z
2
1mv² y
2 U = Ucinética
U = 1mv²x + 1mv²z + 1mv²y
2 2 2
U = 3RT 2
R = 8,314 J/K.molT = Kelvin
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A ENERGIA INTERNAEm uma reação química a massa se conserva?
Figura 17. Antoine Lavoisier
Fonte: http://www.fisicaquimicaweb.com/, 2016
"Na Natureza nada se cria e nada se perde, tudo se transforma".
1785 | Lei de conservação das massas
Figura 18. Albert Eintein
Fonte: http://www.thefamouspeople.com, 2016
E = mC²
1905 | Equivalência massa-energia
E = Energia (J)m = massa (Kg)C = Vel. Luz no vácuo (m/s)
2H(g) H2(g) ΔU = -431 kJMassa inicial Massa final 2g 2g
E = mC²
m = _ E _ C²
Δm = (mf – mi)-Δm = ____-431.000 J_____ (299 792 458 m/s)²
Δm = 4,8.10-12 Kg ---- 0,00000024% de perda de massa que se converte em energia
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CALOR E TRABALHO
CalorTransporte de energia através do movimento caótico das partículas, átomos, moléculas, elétrons, etc.
TrabalhoTransporte de energia através do movimento ordenado das partículas, átomos, moléculas, elétrons, etc. contra um força contrária
Fonte: http://www.netfisica.com/, 2016
Figura 13. Trabalho elétrico
Figura 14. Efeito Joule – Geração de calor
Fonte: http://www.netfisica.com/, 2016
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TRABALHO Expressão física do trabalho
dW = -FdX
X
dW = -FdX
W = -F.X
W = -F.(B-A)
O sinal negativo informa que o sistema (o operário) realizou trabalho contra o meio externo (carrinho)
Figura 15. Trabalho realizado por um operário
Fonte: http://www.netfisica.com/, 2016
Em relação ao sistema
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TRABALHO
Trabalho de compressão/expansão de um pistão
P = F/A
F= P.A
dW = -F.dXdW = -(Pex.A)dXdW = -PexAdX dW = -PexdV
=> W = -Pex. ΔV
ΔU = Q + W => ΔU = Q –Pex. ΔVP: N/m² (Pa) e V: m³
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TRABALHO
Sistema em equilíbrio com suas vizinhanças
Pressão interna = Pressão externa
dW = -PexdV = dW = -PintdV
Variação de volume não infinitesimal
Pressão externa constante
W = -Pex ΔV
Compressão/expansão Reversível e irreversível
Pressão interna agora é uma fração da pressão total
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TRABALHO REVERSÍVEL ISOTÉRMICO
Trabalho de compressão de um pistão Trabalho de expansão de um pistão
Vf < ViVf > Vi
W = -Pex. ΔV W = -Pex. -ΔVTrabalho positivo, o meio externo realiza trabalho sobre o sistema
Trabalho positivo, o sistema realiza trabalho ao meio externo
Supondo Q = 0, ΔU = W, ΔU > 0 Supondo Q = 0, ΔU = W, ΔU < 0
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R: +250 KJ
Fonte: BoxOnline.blog.br, 2016
Resolvendo com o professor
Resolvendo com o professor
TRABALHO REVERSÍVEL
03- Uma reação química que ocorre em um vaso de sessão reta de área 100 cm² (0,01 m²) provido de um pistão. Em virtude da reação o pistão sobe 10 cm (0,1m) contra a pressão externa de 1 atm. Qual o trabalho feito pelo sistema?
R: -101 J
1 atm = 101.000 Pa
04 – Supondo no exercício anterior que ocorra um resfriamento da vizinhança do sistema equivalente a 51 J. Qual a variação de energia interna do sistema?
R: -50 J
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TRABALHO IRREVERSÍVEL
Trabalho de expansão na transformação de fase condensada para gasosa contra pressão atmosférica
Figura 16. Explosão do TNTFonte: http://greenstore4u.com/, 2016
Figura 16. Estrutura do Trinitro tolueno (TNT)
Reação explosiva do TNT
Vfinal >>Vinical
ΔV = Vf
W = -Pex ΔV
W = -Pext Vf
PV = nRT
V = _nRT_ P
W = -Pext. _nRT_ P
W = -nRTn = número de mols gasososR = Constante universal dos gasesT = Temperatura do gás
Fonte: http://greenstore4u.com/, 2016
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TRABALHO NULO
Figura 16. Um balão cheio de gás vagando no vácuo do espaço sideral
Estoura e o gás se expande numa expansão livre
Fonte: newevolutiondesigns.com, 2016
ΔV >> 0
Ausência de força oposta, Pext = 0, W = 0
Ausência de matéria para trocas térmicas, Q = 0
ΔU = 0
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TRABALHO EXTRA
dU = dQ + dWexp + dWext
Todo trabalho que o sistema realiza além do trabalho de expansão gasosa
Exemplo Trabalho elétrico Welétrico = ΦdQ, onde Φ é o potencial elétrico (volts) e dQ a variação de carga (Coulomb)
Resolvendo com o professor
05 – Qual a variação de energia interna de uma bateria de carro após produzir 400 kJ de trabalho elétrico e perder 50 kJ no efeito joule?
R: -450kJ
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ESTUDO TERMODINÂMICO DO TRABALHO EM UM MOTOR À GASOLINA
Entrada da mistura Ar + Gasolina (1) – Sistema aberto
(2) Compressão da mistura – Sistema Fechado
W > 0, ΔU > 0
(3) Centelha (vela)/ Expansão – Sistema fechado
W < 0, Q <0, ΔU < 0
Abertura válvula de escape (4) – Sistema aberto
Motor gasolina ciclo Otto
Universo
Sistema: Câmara de combustãoVizinhanças: O resto do motor
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QUADRO RESUMO
Conservação da Energia
Calor
Trabalho
Transporte caótico da energia
Transporte orientado da energia
+ = Variação da Energia interna
ΔU = Q + Wexp + Wext
W = -PextΔV
Energia cinética e potencial de
um sistema
Aberto, fechado ou adiabático
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PRÓXIMOS ASSUNTOS
• Trocas térmicas;
•Variação da energia interna na ausência de
trabalho;
•Calorimetria;
•Capacidade calorífica a volume constante;
•Entalpia;
•Capacidade calorífica a pressão constante;