CAPITULO 2A Primeira lei da termodinâmica

PGCEM Termodinâmica dos Materiais UDESC

“Neste capítulo são introduzidos alguns dos conceitos fundamentais da termodinâmica. O foco da exposição é a conservação de energia – a observação experimental de que a energia não pode ser destruída nem criada. Mostra-se também como esse princípio de conservação se aplica no acompanhamento das variações de energia nos processos físicos e químicos”

Pontos Importantes:Apresentar definição e conceitos de EnergiaApresentar definição e conceitos de CalorApresentar definição e conceitos de TrabalhoDiscutir o conceito de reversibilidadeApresentar 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.

Tipos de sistema

Sistema aberto ou fechado : Sistema isolado :

A pele humana Uma garrafa térmica perfeitaUm erlenmeyer

Sistema

Vizinhança

Matéria

EnergiaVizinhança

Matéria

EnergiaVizinhança

Matéria

Energia

Tipos de sistema

Relembrando :

Sistema de um componente ou multicomponenteSistema homogêneo ou heterogêneo

Sistema reativo ou não reativo

Sistema simples ou complexo

Tipos de ProcessoAdiabático

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

Fronteira Diatérmica :

Tipos de fronteira:Fronteira rígida (não transmite força mecânica)Fronteira impermeável (não transmite massa)

Fronteira adiabática (não transmite calor)

Fronteira Adiabática :

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.

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)Força Sistema

(Corpo)

Acumulo de energia armazenada no corpo na forma de energia cinética

21

22 VVm

21EC

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

mgh)nalgravitacio(Ep r4

qq)elétrica(E0

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 H2 O

Trabalho = transferencia de energia

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

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

•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

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.

Trabalho

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.

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

VPlAA

FlFW ex

2

1

dVPW ex

Energia

Trabalho

W < 0

Energia

Trabalho

W > 0

convenção

Perguntas de vestibularDiga, 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. (ar que está dentro é o 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.

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

(a) (b)(c) (d)

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 < 0

Energia

Calor

q > 0

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)

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)

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.

JAMES JAULE

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

Convenção de sinais

Determinação de trabalho

Variação de volume de um gás

Determinação de trabalho

Variação de volume de um gás

Considere um gás ideal que ocupe 1.0 dm3 a pressão de 2.00 bar . Se o gás é comprimido isotermicamente a uma pressão externa Pext constante até que o volume final seja 0.5 dm3, qual é o menor valor que Pext pode assumir?

Determinação de trabalho

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

Expansão contra pressão constante

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

Diagrama indicador

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

Reversível X Irreversível

Expansão reversível , isotérmica, de gás ideal

Considerando um gás idealPV=nRT

i

fV

V VVlnnRT

VdVnRTw

f

i

Determinação de trabalho

Variação de volume de um gás

compressão isotérmicao menor trabalho que podemos fazer

expansão isotérmica o maior trabalho para ser realizada

Exercício

1) 10 litros de gás ideal monoatômico, mantido a 25 ºC e 10 atm é expandido até atingir a pressão final de 1 atm. A capacidade calorifica molar do gás a volume constante (Cv) é 3/2 R e é independente da temperatura.

Calcular o trabalho realizado, o calor absorvido e as mudanças de energia interna e entalpia para o gás se o processo ocorre:

isotérmicamente e reversivelmenteadiabáticamente e reversivelmente

Exercício