GASES E TERMODINÂMICAGASES E TERMODINÂMICA
O que você deve saber sobre
O modelo do gás ideal foi fundamental no desenvolvimento da física e da química da primeira metade do século XIX. O estudo das transformações do calor em trabalho em sistemas gasosos configurou a termodinâmica clássica. As máquinas térmicas ainda em uso, como motores a combustão e refrigeradores, usam variantes do ciclo de Carnot para atingir o máximo rendimento.
I. Gás ideal
As moléculas não interagem entre si. Os choques entre as moléculas e as paredes do recipiente são perfeitamente elásticos (não há perda de energia). As dimensões das moléculas são desprezíveis em comparação com o volume do recipiente. O movimento das moléculas é permanente e totalmente aleatório.
Estado de um gás: conjunto de diversas variáveis macroscópicas
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II. Transformações gasosas particulares
Transformação isotérmica (lei de Boyle-Mariotte)
Diagrama P X V de uma transformação isotérmica
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Transformação isobárica (lei de Gay-Lussac)
II. Transformações gasosas particulares
Diagrama P X V de uma transformação isobárica
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Transformação isovolumétrica (lei de Charles)
II. Transformações gasosas particulares
Diagrama P X V de uma transformação isovolumétrica
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III. Lei geral dos gases ideais
Equação de Clapeyron
O quociente P . V é constante e depende apenas de n, o número Tde mols do gás presente na amostra.
Valores mais usados para a constante universal dos gases ideais R: R = 0,082 atm . L/mol . K ou R = 8,31 J/mol . K.
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IV. Trabalho em transformações gasosas
• Isobárica: = P . ∆V
• Isovolumétrica: = 0
• Outras: o trabalho é numericamente igual à área sob o diagrama P X V
O trabalho é numericamente igual à área sombreada sob o gráfico.
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Sinal do trabalho
• Expansão (∆V > 0): > 0
• Compressão (∆V < 0): < 0
• Ciclos: sentido horário: > 0;
sentido anti-horário: < 0
Energia interna do gás ideal: depende da variação de temperatura.
IV. Trabalho em transformações gasosas
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Transformação adiabática
A) Diagrama P X V de uma transformação adiabática (linha cheia) comparada com uma isoterma (linha tracejada); B) A expansão de aerossol, por ser rápida, simula bem esse tipo de transformação.
IV. Trabalho em transformações gasosas
SA
SP
AR
TO
UT/S
HU
TTER
STO
CK
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V. Primeira lei da termodinâmica
É outra forma de escrever o princípio de conservação de energia:
Sinais de ∆U e Q
• Gás recebe calor: Q > 0• Gás cede calor: Q < 0• Aquecimento: T > 0 U > 0• Resfriamento: T < 0 U < 0
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Primeira lei da termodinâmicaClique na imagem para ver a animação.
VI. Segunda lei da termodinâmica
Esquema de máquina térmica. A segunda lei garante que há perda de calor na realização de trabalho.
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É impossível construir um dispositivo que, operando em um ciclo termodinâmico, converta totalmente o calor recebido em trabalho.
Rendimento de máquinas térmicas
VI. Segunda lei da termodinâmica
Nenhuma máquina térmica apresenta 100% de rendimento.
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VII. Ciclo de Carnot
Carnot descobriu o ciclo teórico capaz de extrair o máximo rendimento de uma máquina térmica.
Rendimento do ciclo de Carnot
O ciclo de Carnot compreende duas transformações isotérmicas (linhas azuis) e duas transformações adiabáticas (linhas vermelhas).
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, em que T é a temperatura em Kelvins.
(UFMG) Um gás ideal, num estado inicial i, pode ser levado a um estado final f por meio dos processos I, II e III, representados neste diagrama de pressão versus volume:
RESPOSTA: DOs valores WI, WII e WIII são numericamente iguais às áreas
sob os respectivos diagramas. Por comparação direta na figura do enunciado, temos WI > WII > WIII.
2
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EX
ER
CÍC
IOS
ES
SEN
CIA
IS
Sejam WI, WII e WIII os módulos dos trabalhos realizados
pelo gás nos processos I, II e III, respectivamente. Combase nessas informações, é correto afirmar que:
a) WI < WII < WIII.
b) WI = WII = WIII.
c) WI = WII > WIII.
d) WI > WII > WIII.
Segunda lei da termodinâmicaClique na imagem para ver a animação.
(UFRR) Um mol de gás ideal realiza o processo cíclico ABCD representado a seguir no gráfico de P X V:
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ER
CÍC
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ES
SEN
CIA
IS
O rendimento da máquina que utiliza esse ciclo é de 0,8. O trabalho no ciclo e o calor fornecido ao gás, em quilojoules, valem respectivamente:
a) 24 e 30. b) 8 e 10. c) 54 e 42. d) 12 e 16.e) 16 e 20.
RESPOSTA: A
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(UFRGS-RS) Enquanto se expande, um gás recebe o calor Q = 100 J e realiza o trabalho W = 70 J. Ao final do processo, podemos afirmar que a energia interna do gás:
a) aumentou 170 J.b) aumentou 100 J.c) aumentou 30 J.d) diminuiu 70 J.e) diminuiu 30 J.
RESPOSTA: CA partir do enunciado, Q = 100 J e W = 70 J. Aplicando a primeira lei da termodinâmica, temos:∆U = Q - W = 100 - 70 ∆U = 30 J.Como ∆U > 0, pode-se afirmar que a energia interna do gás aumentou 30 J.
5EX
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(Univali-SC) Uma máquina térmica opera segundo o ciclo de Carnot entre as temperaturas de 400 K e 280 K, recebendo 1.200 J de calor da fonte quente. O calor rejeitado para a fonte fria e o trabalho realizado pela máquina, em joules, são, respectivamente:
a) 840 e 360. b) 1.000 e 1.000. c) 500 e 1.500.d) 1.400 e 600.e) 700 e 1.300.
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SEN
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RESPOSTA: A
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(UPF-RS) Um ciclo de Carnot trabalha entre duas fontes térmicas: uma quente, em temperatura de 227 ºC, e uma fria, em temperatura de –73 ºC. O rendimento desta máquina, em percentual, é de:
a) 10. b) 25. c) 35. d) 50.e) 60.
12EX
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RESPOSTA: E
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