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Marcos Germano Degenhardt
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IntroduçãoIntroduçãoIntroduçãoIntroduçãoQuando um móvel se desloca sobre uma superfície com atrito, há necessidade de um constante fornecimento de energia para manter o movimento.
F F F F F F F F F F F
Durante todo o movimento a velocidade permaneceu
constante, logo, o trabalho realizado pela força F não aumentou a energia do móvel, sendo então, dissipada.
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IntroduçãoIntroduçãoIntroduçãoIntroduçãoO que aconteceu com a energia recebida pela realização do trabalho?
Transformou-se em energia térmica e com isso aqueceu o corpo. Desta forma:
ετ
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ConceitoConceitoConceitoConceitoTermodinâmica é a parte da física que estuda as relações recíprocas entre um trabalho realizado e a corresponde variação da energia térmica do sistema.
F F F F F F F F F
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Conceitos básicosConceitos básicosConceitos básicosConceitos básicosHá a necessidade de se compreender alguns dos termos que serão utilizados:
– Sistema e Fronteira– Estado Termodinâmico– Trabalho– Energia– Calor
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Sistema e FronteiraSistema e FronteiraSistema e FronteiraSistema e FronteiraA região isolada do espaço, cujas características devem ser estudas, sem qualquer influência externa é o que se chama de
Já a superfície que separa o meio externo, quer seja real, quer imaginária, denomina-se de
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ExemploExemploExemploExemplo
Meio Externo
Sistema
Fronteira
A figura a seguir ilustra um sistema:
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Classificação dos Classificação dos SistemasSistemas
Classificação dos Classificação dos SistemasSistemas
Os sistemas são classificados em:– Sistemas Abertos
– Sistemas Fechados
– Sistemas Isolados
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Sistema AbertoSistema AbertoSistema AbertoSistema AbertoÉ o sistema que permite que através de sua fronteira hajam trocas com o meio externo de matéria e energia
Meio Externo
Sistema
Fronteira
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Sistema FechadoSistema FechadoSistema FechadoSistema FechadoNeste caso, o sistema troca apenas energia com o meio externo, a massa não é trocada.
Meio Externo
Sistema
Fronteira
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Sistema IsoladoSistema IsoladoSistema IsoladoSistema IsoladoNeste sistema não há trocas, nem de energia, nem de massa, com o meio externo.
Meio Externo
Sistema
Fronteira
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Estado Estado TermodinâmicoTermodinâmico
Estado Estado TermodinâmicoTermodinâmico
Corresponde às condições que caracterizam um sistema, em termos de:
– pressão– volume– temperatura– densidade
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TransformaçõesTransformaçõesTransformaçõesTransformaçõesSe uma das características de um sistema sofre uma
variação, então diz-se que houve uma transformaçãoChama-se de processo termodinâmico, ao modo pelo qual ocorreu a variação de uma das características de um estado.
Estado Inicial Estado Final
pi
Vi
Ti
pfVf
Tf
Processo
Termodinâmico
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TrabalhoTrabalhoTrabalhoTrabalhoNa termodinâmica, trabalha-se com gases, logo, são estes quem realizam trabalho.
Calcula-se o trabalho que um gás realiza por:
Vp .τ
Onde:
τ é o trabalho realizado/recebido
p é a pressão em que o gás se encontra
V é o aumento/redução do volume do gás
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Unidades de MedidaUnidades de MedidaUnidades de MedidaUnidades de Medida
Grandeza Símbolo Medida
Trabalho τ Joule (J)
Pressão p Pascal (Pa)
Volume V metros cúbicos (m3)
Caso as unidades não estejam coerentes, elas devem ser transformadas para as unidades acima.
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Gráfico do TrabalhoGráfico do TrabalhoGráfico do TrabalhoGráfico do Trabalho Ao se trabalhar com gases, representa-se em gráficos a forma de como a pressão e o volume interagem:
p0
V0 V1
V(m3
)
p(Pa)
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Característica do gráfico Característica do gráfico p x Vp x V
Característica do gráfico Característica do gráfico p x Vp x V
No gráfico pressão versus volume (p x V) o trabalho pode ser obtido pela área do mesmo, sob a linha que representa a transformação.
p0
V0 V1
V(m3
)
p(Pa)
Árean
τ
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ConvençõesConvençõesConvençõesConvençõesDurante uma transformação o gás, seu volume pode aumentar ou diminuir, caracterizando o trabalho.
Caso o volume
AumenteO Trabalho será positivo e realizado pelo gás
Diminua O Trabalho será negativo e recebido pelo gás
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Trabalho realizadoTrabalho realizadoTrabalho realizadoTrabalho realizado•Ocorre quando o volume do gás aumenta•Recebe sinal positivo
p0
V0 V1
V(m3
)
p(Pa)
p1
Árean
τ
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Trabalho recebidoTrabalho recebidoTrabalho recebidoTrabalho recebido•Ocorre quando o volume do gás diminui•Recebe sinal negativo
p(Pa)
p0
V0 V1
V(m3
)
p1
Árean
τ
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ExemploExemploExemploExemploO gás contido no recipiente ao lado sofre uma transformação, sob pressão de 200 Pa, aumentando seu Volume de 1 m3 para 5 m3. Qual o trabalho realizado na transformação?Dados: p = 200 Pa V0 = 1 m3 V = 5 m3
Solução
J 800τ
1)-200(5τ
)(τ
.τ
0
VVp
Vp
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EnergiaEnergiaEnergiaEnergiaEsta associada ao movimento das partículas do gás:
– Quanto maior a temperatura absoluta, maior a velocidade e maior a energia das moléculas;
– Quanto menor a temperatura absoluta, menor a velocidade e menor a energia das moléculas.
A energia é uma função A energia é uma função exclusiva da temperatura exclusiva da temperatura
absoluta das moléculas do gásabsoluta das moléculas do gás
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Cálculo da EnergiaCálculo da EnergiaCálculo da EnergiaCálculo da EnergiaCalcula-se a energia de um sistema por:
T23 kE
Onde
E é a energia medida em Joules
k é a constante de Boltzmann
T é a temperatura absoluta, medida em Kelvin
KJ2310.38,1 k
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Cálculo da EnergiaCálculo da EnergiaCálculo da EnergiaCálculo da EnergiaPara se determinar o aumento da energia de um sistema, utiliza-se:
TR23 nE
Onde
E é a energia medida em Joules
n é o número mols do gás
R é a constante universal dos gases perfeitos
T é a temperatura absoluta, medida em Kelvin
mol.KJ31,8R
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ConvençõesConvençõesConvençõesConvençõesDurante uma transformação o gás, sua temperatura pode aumentar ou diminuir, caracterizando a variação da energia.
Caso a termperatura
AumenteA variação da energia será positiva
Diminua A variação da energia será negativa
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ExemploExemploExemploExemploUma amostra gasosa encontra-se a temperatura de 127 ºC. Qual a energia interna das partículas deste gás?
Dados: T = 127 ºC => 400 K
Solução
JE
E
kE
21
2323
23
10.28,8
400.10.38,1.
T
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ExemploExemploExemploExemploA temperatura de 3 moles de um gás perfeito é aumentada de 27 ºC para 227 ºC. Qual o aumento da energia interna deste gás?
Dados: T0 = 27 ºC => 300 K T1 = 227 ºC => 500 K
n = 3 mol R = 8,31 J/mol.K
Solução
J7479
)300500.(31,8.3.
TR
23
23
E
E
nE
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CalorCalorCalorCalorÉ a energia em trânsito entre corpos que apresentam entre si uma diferença de temperatura.
No momento em que as temperaturas se igualam, cessa a transferência de energia e os corpos atingiram o equilíbrio térmico.
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MedidasMedidasMedidasMedidasUma quantidade de calor pode ser medida de duas formas: a do Sistema Internacional ou por uma unidade prática.
Medida Unidade
Sistema Internacional Joule [J]
sistema prático Caloria [cal]
J 186,4 cal 1
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ExemploExemploExemploExemploUm gás recebe 500 cal em forma de calor. Quanto calor foi recebido em Joules?
Dados: Q = 500 cal
Solução
J20931
186,4.500
cal500
J186,4cal1
x
x
x
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ConvençõesConvençõesConvençõesConvençõesUm sistema gasoso pode ceder ou receber calor
Caso o sistema
Receba Seu sinal será positivo
Ceda Seu sinal será negativo
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Leis da Leis da TermodinâmicaTermodinâmica
Leis da Leis da TermodinâmicaTermodinâmica
O estudo da termodinâmica esta assentado em três leis:– Lei zero da Termodinâmica– Primeira Lei da Termodinâmica– Segunda Lei da Termodinâmica
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Lei Zero da Lei Zero da TermodinâmicaTermodinâmica
Lei Zero da Lei Zero da TermodinâmicaTermodinâmica
• Trata do equilíbrio térmico entre os corpos• Anula as trocas de calor e energia quando os corpos
atingem a mesma temperatura.
Se dois corpos A e B estão em equilíbrio térmico com
um corpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si.
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RepresentaçãoRepresentaçãoRepresentaçãoRepresentação
Sistema
A B
C
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Primeira Lei da Primeira Lei da TermodinâmicaTermodinâmicaPrimeira Lei da Primeira Lei da TermodinâmicaTermodinâmica
Trata do balanceamento energético entre as quantidades de energia interna e externa trocadas durante uma transformação, permanecendo constante durante todo o processo. Daí decorrem:
A energia do Universo é constante
A energia não pode ser criada e nem destruída, tão somente transformada de um tipo em outro
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DefiniçãoDefiniçãoDefiniçãoDefiniçãoToda vez que um sistema recebe uma quantidade de energia, parte dela será devolvida sob forma de um trabalho desenvolvido e outra parte o sistema assimilará para si.
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RepresentaçãoRepresentaçãoRepresentaçãoRepresentaçãoPode-se observar
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ConceitoConceitoConceitoConceito
EQ τOnde
é o trabalho trocado do gás com o meio
Q é a quantidade de calor trocada pelo gás com o meio
E é o variação da energia interna do gás
A quantidade de calor trocada com o meio corresponde à soma do trabalho realizado pelo gás com o aumento de
sua energia térmica
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ExemploExemploExemploExemploUma amostra de gás recebe uma quantidade Q de calor, o que faz com que o gás se expanda e produza um trabalho de 1500 J e sua energia interna aumente em 3000 J. Quanto calor o gás recebeu?
Dados: Q = ? cal E = 3000 J e = 1500 J
Solução
J4500
J3000J1500
τ
Q
Q
EQ