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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