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Cincias da Natureza e suas Tecnologias FsicaEnsino Mdio, 2 SriePrimeira lei da termodinmica

FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

A ideia de aproveitar o calor para produzir movimento (trabalho) bem antiga.Heronde Alexandria (10 d.C. a 70 d.C.) j propunha em suaeolpilatal aproveitamento.

Esta ideia ganhou a forma de mquinas trmicas e revolucionou, na segunda metade do sculo XVIII, a maneira pela qual as pessoas se relacionam e produzem seus bens.

Imagens:Eolpila: Katie Crisalli para a U.S. Air Force / United States public domain.

Heron de Alexandria: Autor desconhecido / United States public domain.Imagens: Esquerda, Sala de mquinas penteadeiras a vapor Heilmann / Armand Kohl / Public domain.

Direita, Locomotiva a vapor / Don-kun / Public domain.Experimente voc mesmo!No livroFsica mais que divertida, do professor Eduardo Campos Valadares (Ed. UFMG), encontramos um experimento denominado Usina Trmica.A experincia consiste em aquecer uma lata de refrigerante contendo gua e um furo na parte superior.

Bem a frente do furo deve ser colocada uma turbina (ventoinha).

Este um bom exemplo de transformaode energia trmica em energia mecnica,ou seja,calor em movimento.FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Imagem: SEE-PE redesenhada com base em http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_08.aspImagem: Arturo D. Castillo / Creative Commons Attribution 3.0 Unported.256px-Sol07.svg.pngC:\Documents and Settings\Adriel\Meus documentos\Adriel\Ensino de Fsica\Animaes\Mquina trmica.gifA fora para produo de bensera braal e bastante personalizada.

O homem percebe que pode utilizar a fora da gua para realizao de trabalhos como a moagem de gros.Sugerimos que pesquise sobre rodas dgua e moinhos de gua.

Com amquina a vaporo 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.

Clique aquipara fornecer calor ao gs.Ao ser aquecido, o gs se expande empurrando ombolopara cima.Notamos que o calor fornecido ao gs produziu trabalho, ao mover o mbolo, e fez aumentar a temperatura do gs.Isso demonstra que a energia se conservou. A energia na forma de calor transformou-se em outros tipos de energia.

Aprimeira lei da Termodinmicacorresponde, na verdade, ao princpio da conservao da energia. Assim, o calor fornecido ou retirado (Q) de um sistema resultar na realizao de trabalho () e na variao da energia interna do sistema (U).

Q =+ UFSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Imagem: Fire Icon / Piotr Jaworski / Public Domain.

Trabalho realizadopelo gs(> 0)

Quando o gs se expande, temos uma variao de volume positiva (V>0). Ento dizemos que o gs realizou trabalho (>0), pois a fora do gs que desloca o mbolo.

Trabalho realizadosobre o gs(< 0)Quando o gs comprimido, temos uma variao de volume negativa (V 0Calor cedido< 0FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Numatransformao adiabtica,,no ocorre troca de calor (Q) do gs com seu entorno. Assim, todo trabalho() realizado pelo gs (>0) ou sobre o gs ( 0< 0

Quando o trabalho positivo (realizado pelo gs) observamos uma diminuio da temperatura. Quando o trabalho negativo (realizado sobre o gs) observamos um aumento na temperatura.(clique para ver animao e fique atento a marcao do termmetro)

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Experimente voc mesmo!Ao encher uma bola fazendo movimentos rpidos na bomba, notamos o aquecimento da mesma. Isto acontece porque o ar, uma vez comprimido rapidamente, eleva sua temperatura.Como o processo rpido, no h tempo para troca de calor com o meio externo. Trata-se de uma compresso adiabtica.

Um outro exemplo, contrrio ao anterior, mas que ilustra o mesmo tipo de transformao, o uso do aerossol.Ao mant-lo pressionado por algum tempo, notamos o resfriamento da lata. A expanso do gs produz uma diminuio de sua temperatura. Trata-se de uma expanso adiabtica.

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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.450px-Football_(soccer_ball).svg.pngEm resumo...TransformaoIsotrmicaQ =TransformaoIsovolumtricaQ = UTransformaoAdiabtica= -U

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Vamos resolver juntos!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 termodinmica, calcule a variao de energia interna desse sistema.

Prximo ProblemaFSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Se o sistema recebeu 200 calorias e 1 cal = 4Joules, ento a energia recebida em Joules ser...

Q=200x4JQ=800JVoltarFSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

O problema informa que o sistema recebeu Q=800 J e realizou um trabalho=150 J.Pelo que afirma o princpio da conservao de energia que corresponde 1 lei da Termodinmica, todo calor trocado resultar em trabalho e variao da energia interna.Logo...

Q =+ U800 = 150 + U800 - 150 = UU = 650 JVoltarFSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Vamos resolver juntos!02. (Unesp1999)Certa quantidade de um gs mantida sob presso constante dentro de um cilindro com o auxlio de um mbolo pesado, que pode deslizar livremente. O peso do mbolo mais o peso da coluna de ar acima dele de 400 N.a) o trabalho realizado pelo gs;b) o calor especfico do gs no processo, sabendo-se que sua massa 0,5 g.Uma quantidade de 28 J de calor , ento, transferida lentamente para o gs. Neste processo, o mbolo se eleva de 0,02 m e a temperatura do gs aumenta de 20 C.Nestas condies, determine:Prximo ProblemaFSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Imagem: SEE-PE redesenhada com base em http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26Questo: http://professor.bio.br/fisica/provas_vestibular.asp?origem=Unesp&curpage=26

De incio, preciso considerar que a presso do gs se mantm constante. Logo, a fora que o gs exerce sobre o mbolo constante e no deve ser maior que 400N, pois o mbolo deve subir lentamente.Caso a fora fosse maior que 400N, o mbolo subiria aceleradamente. Assim, a fora do gs deve ser 400N e o mbolo dever subir com velocidade constante.

F400NLembremos que o trabalho de uma fora calculado por ...

= 400x0,02Onde F o valor da fora e d o deslocamento que a fora produz.Assim temos...

=Fxd= 8 JVoltarFSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

d = 0,02m

Se o gs recebeu um calor Q=28J e efetuou um trabalho=8J, ento podemos calcular que sua variao de energia interna (U) foi de ...

Q =+ U28 = 8 + U28 8 = UU = 20 JAssim, podemos afirmar que o aumento da temperatura em 20C foi uma decorrncia do recebimento de 20 Joules de energia.

Lembrando que estudamos em calorimetria sobre o calor sensvel - aquele responsvel por provocar uma variao na temperatura ( Q=m.c.T) - poderemos ento calcular o calor especfico...

20 = 0,5.c.2020 = 10.cc = 2 J/g.CVoltarFSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

03.Nos ltimos anos, o gs natural (GNV: gs natural veicular) vem sendo utilizado pela frota de veculos nacional, por ser vivel economicamente e menos agressivo do ponto de vista ambiental.O quadro compara algumas caractersticas do gs natural e da gasolina em condies ambiente.Vamos resolver juntos!a) muito maior, o que requer um motor muito mais potente.b) muito maior, o que requer que ele seja armazenado alta presso.c)igual, mas sua potncia ser muito menor.d) muito menor, o que o torna o veculo menos eficiente.e) muito menor, o que facilita sua disperso para a atmosfera.Apesar das vantagens no uso de GNV, sua utilizao implica algumas adaptaes tcnicas, pois, em condies ambiente, o VOLUME de combustvel necessrio, em relao ao de gasolina, para produzir a mesma energia, seria:RespostaFSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Observe que o texto afirma que a tabela compara os valores da Gasolina e do GNV emcondies ambiente, logo, sujeitos presso da atmosfera.Assim,em 1m de ambiente aberto, tem-se738 Kg de gasolina e 0,8 Kg de GNV.

A tabela informa tambm que, em 1Kg de GNV, tem-se uma energia de 50.200 KJ, enquanto que, em 1Kg de Gasolina, tem-se uma energia bem prxima, no valor de 46.900 KJ.

Para obtermos 1Kg de Gasolina ser necessrio um volume de...

J para obtermos 1Kg de GNV, ser necessrio um volume de...

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Ento, para obter a mesma energia da Gasolina (em 1Kg), o volume de GNV ser...

893 vezes maior que o volume da gasolina.

Ento ser necessrio comprimir o GNV (aumentar a presso) para se ter a mesma energia em um volume menor.

Assim, a alternativa que responde a questo ser...

b) muito maior, o que requer que ele seja armazenado alta presso.FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Tente resolver!05.Qual a variao de energia interna de um gs ideal sobre o qual realizado um trabalho de 80J durante uma compresso isotrmica?a) 80J;b) 40J;c) Zero;d) - 40J;e) - 80J.04.Enquanto se expande, um gs recebe o calor Q=100J e realiza o trabalho=70J. Ao final do processo, podemos afirmar que a energia interna do gs:a) aumentou 170 J;b) aumentou 100 J;c) aumentou 30 J;d) diminuiu 70 J;e) diminuiu 30 J.FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Tente resolver!06.Um cilindro de parede lateral adiabtica tem sua base em contato com uma fonte trmica e fechado por um mbolo adiabtico pesando 100N. O mbolo pode deslizar sem atrito ao longo do cilindro, no interior do qual existe uma certa quantidade de gs ideal. O gs absorve uma quantidade de calor de 40J da fonte trmica e se expande lentamente, fazendo o mbolo subir at atingir uma distncia de 10cm acima da sua posio original.Nesse processo, a energia interna do gs:

a) diminui 50 J;b) diminui 30 J;c) no se modifica;d) aumenta 30 J;e) aumenta 50 J.FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Tente resolver!07.(UFPR) Considere um cilindro de paredes termicamente isoladas, com exceo da base inferior, que condutora de calor. O cilindro est munido de um mbolo de rea 0,01me peso 25N, que pode mover-se sem atrito. O mbolo separa o cilindro em uma parte superior, onde existe vcuo, e uma parte inferior, onde h um gs ideal, com 0,01mol e volume inicial de 10 litros. medida em que o gs aquecido, o mbolo sobe at uma altura mxima de 0,1m, onde um limitador de curso o impede de subir mais. Em seguida, o aquecimento prossegue at que a presso do gs duplique. Com base nessas informaes, correto afirmar:

(01) Enquanto o mbolo estiver subindo, o processo isobrico;(02) Aps o mbolo ter atingido o limitador, o processo adiabtico;(04) O trabalho realizado no trecho de expanso do gs de 2,5J;(08) A temperatura no instante inicial igual a 402K;(16) O calor fornecido ao gs, na etapa de expanso, utilizado para realizar trabalho e para aumentar a temperatura do gs;(32) O trabalho realizado pelo gs durante a etapa de expanso igual ao trabalho total realizado pelo gs desde o incio do aquecimento at o momento em que o gs atinge o dobro da presso inicial.

Soma ( )FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Imagem: SEE-PE produzida com base na imagem disponvel em http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q=9144&t=Questo: http://professor.bio.br/fisica/comentarios.asp?q=9144&t=Tente resolver!08.Quando um gs ideal sofre uma expanso isotrmica,

a) a energia recebida pelo gs na forma de calor igual ao trabalho realizado pelo gs na expanso;b) no troca energia na forma de calor com o meio exterior;c) no troca energia na forma de trabalho com o meio exterior;d) a energia recebida pelo gs na forma de calor igual variao da energia interna do gs;e) o trabalho realizado pelo gs igual variao da energia interna do gs.09.Uma certa quantidade de ar contido num cilindro com pisto comprimida adiabaticamente, realizando-se um trabalho de -1,5kJ. Portanto, os valores do calor trocado com o meio externo e da variao de energia interna do ar nessa compresso adiabtica so, 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.FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

Tente resolver!11.A Primeira Lei da Termodinmica estabelece que o aumento da energia interna de um sistema dado por U= Q-, no qual Q o calor recebido pelo sistema, e o trabalho que esse sistema realiza.Se um gs real sofre uma compresso adiabtica, ento,

a) Q = U;b) Q =;c)= 0;d) Q = 0;e) U = 0.10.A primeira lei da termodinmica diz respeito :

a) dilatao trmica;b) conservao da massa;c) conservao da quantidade de movimento;d) conservao da energia;e) irreversibilidade do tempo.FSICA - 2 ano do Ensino MdioPrimeira lei da termodinmica

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