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P R I M E I R A L E I D A T E R M O D I N Â M I C A
TERMODINÂMICA
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A NATUREZA DO CALOR
• Experimento de Rumford: Fricção gerado pelo atrito
da broca com o metal é capaz de colocar a água
em ebulição em 2h30.
• Taxa de calor produzida parece inesgotável.
• Calor produzido pelo movimento.
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A NATUREZA DO CALOR
Lareiras, boiler duplo, panela de pressão,
pote gotejador de café (bule), roupas
com aquecimento interno, cozinha
moderna, aquecimento interno de casas,
iluminação interna de casas, tornou
popular a máquina a vapor de James
Watts .
1754-1814 Benjamin
Thompson, in Woburn, MA
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INVENÇÕES
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A NATUREZA DO CALOR
• Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional
do peso é transformado em energia cinética das pás,
que dissipam energia por atrito.
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A NATUREZA DO CALOR
• Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional
do peso é transformado em energia cinética das pás,
que dissipam energia por atrito.
• Ao medir a temperatura da água antes e depois da queda do peso, Joule observou que a água estava mais quente.
• Em outras palavras, calor é uma forma de energia.
• Conforme veremos mais adiante, calor corresponde à
transferência de energia macroscópica para microscópica.
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Revisão de Física I:
• Para um corpo sob a ação da força peso ->
onde T é a energia cinética e U é a energia potencial
gravitacional,
Este é um teorema, demonstrado matematicamente a
partir das leis de Newton.
E é uma constante de movimento
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• A 1ª lei da termodinâmica promove o teorema da
conservação de energia mecânica para um princípio
geral:
• A energia mecânica perdida por um sistema é transformada em energia elétrica, nuclear, calor, ou qualquer outra forma
de energia.
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Obervações
• Um sistema contém apenas energia interna
• Um sitema não contém energia na forma de calor
ou trabalho
• Calor e trabalho somente existem durante uma
mudança no sistema
• A energia interna é uma função de estado
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Formalizando a troca de energia.
• Considere um sistema S. Como podemos variar a
energia de S?
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Considere um sistema S. Como podemos variar a
energia de S?
• Podemos realizar trabalho sobre S.
• Ex. Trabalho realizado por forças de pressão.
S
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Considere um sistema S. Como podemos variar a
energia de S?
• Podemos realizar trabalho sobre S.
• Ex. Trabalho realizado por forças de pressão.
S
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Considere um sistema S. Como podemos variar a
energia de S?
• Podemos realizar trabalho sobre S.
• Ex. Trabalho realizado por forças de pressão.
S
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Considere um sistema S. Como podemos variar a
energia de S?
• Podemos realizar trabalho sobre S.
• Ex. Trabalho realizado por forças de pressão.
S
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Considere um sistema S. Como podemos variar a
energia de S?
• Podemos realizar trabalho sobre S.
• Ex. Trabalho realizado por forças de pressão.
SDesafio: Mostre a
fórmula abaixo para
forças de pressão para
uma superfície de
formato qualquer
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Considere um sistema S. Como podemos variar a
energia de S?
• Podemos realizar trabalho sobre S.
• Ex. Trabalho realizado por forças de pressão.
• Ex. Trabalho realizado por forças elétricas, gravitacionais, …
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Considere um sistema S. Como podemos variar a
energia de S?
• Podemos realizar trabalho sobre S.
• Ex. Trabalho realizado por forças de pressão.
• Ex. Trabalho realizado por forças elétricas, gravitacionais, …
• Neste curso abordaremos apenas o primeiro caso.
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Considere um sistema S. Como podemos variar a
energia de S?
• Podemos realizar trabalho sobre S.
• Ex. Trabalho realizado por forças de pressão.
• Ex. Trabalho realizado por forças elétricas, gravitacionais, …
• Neste curso abordaremos apenas o primeiro caso.
• Podemos trocar calor com S.
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Considere um sistema S. Como podemos variar a
energia de S?
• Podemos realizar trabalho sobre S.
• Ex. Trabalho realizado por forças de pressão.
• Ex. Trabalho realizado por forças elétricas, gravitacionais, …
• Neste curso abordaremos apenas o primeiro caso.
• Podemos trocar calor com S.
• Definiremos um pouco melhor adiante.
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Considere um sistema S. Como podemos variar a
energia de S?
• Podemos realizar trabalho sobre S.
• Ex. Trabalho realizado por forças de pressão.
• Ex. Trabalho realizado por forças elétricas, gravitacionais, …
• Neste curso abordaremos apenas o primeiro caso.
• Podemos trocar calor com S.
• Definiremos um pouco melhor adiante.
• Escrevemos matematicamente:
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Na fórmula acima, é a variação
da energia interna do sistema S entre os estados i e f.
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Na fórmula acima, é a variação
da energia interna do sistema S entre os estados i e f.
• Q é o calor cedido ao sistema.
• Q > 0 significa que o sistema recebeu calor.
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Na fórmula acima, é a variação
da energia interna do sistema S entre os estados i e f.
• Q é o calor cedido ao sistema.
• Q > 0 significa que o sistema recebeu calor.
• W é o trabalho realizado pelo sistema.
• W<0 signfica que trabalho externo foi realizado sobre o
sistema que, portanto, ganhou energia.
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Na fórmula acima, é a variação
da energia interna do sistema S entre os estados i e f.
• Q é o calor cedido ao sistema.
• Q > 0 significa que o sistema recebeu calor.
• W é o trabalho realizado pelo sistema.
• W<0 signfica que trabalho externo foi realizado sobre o
sistema que, portanto, ganhou energia.
• Note que isto é apenas uma convenção e podemos
escrever a 1ª lei de muitas formas.
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Na fórmula acima, é a variação
da energia interna do sistema S entre os estados i e f.
• Q é o calor cedido ao sistema.
• Q > 0 significa que o sistema recebeu calor.
• W é o trabalho realizado pelo sistema.
• W<0 signfica que trabalho externo foi realizado sobre o
sistema que, portanto, ganhou energia.
• Note que isto é apenas uma convenção e podemos
escrever a 1ª lei de muitas formas.
• Por exemplo:
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Na fórmula acima, é a variação
da energia interna do sistema S entre os estados i e f.
• Q é o calor cedido ao sistema.
• W é o trabalho realizado sobre sistema.
• Nesta nova convenção, W ser positivo significa que o sistema
ganhou energia.
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Na fórmula acima, é a variação
da energia interna do sistema S entre os estados i e f.
• Q é o calor cedido ao sistema.
• W é o trabalho realizado sobre sistema.
• Nesta nova convenção, W ser positivo significa que o sistema
ganhou energia.
• Exercício: Discuta todas as possibilidades de sinal.
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
• Na fórmula acima, é a variação
da energia interna do sistema S entre os estados i e f.
• Q é o calor cedido ao sistema.
• W é o trabalho realizado sobre sistema.
• Nesta nova convenção, W ser positivo significa que o sistema
ganhou energia.
• Exercício: Discuta todas as possibilidades de sinal.
• A profundidade da fórmula acima está nos seguintes
pontos:
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
1. A energia interna de um sistema S depende apenas
do estado em que o sistema se encontra.
1. Tal estado é caracterizado pelas suas variáveis
macroscópicas (exs: P,V,T)
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
1. A energia interna de um sistema S depende apenas
do estado em que o sistema se encontra.
1. Tal estado é caracterizado pelas suas variáveis
macroscópicas (exs: P,V,T)
2. Este é um fato experimental!
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
1. A energia interna de um sistema S depende apenas
do estado em que o sistema se encontra.
1. Tal estado é caracterizado pelas suas variáveis
macroscópicas (exs: P,V,T)
2. Este é um fato experimental!
2. Portanto, a variação da energia de um sistema
depende apenas dos estados inicial e final, sem
depender de processo para ir de i a f.
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1ª LEI DA TERMODINÂMICA
1. A energia interna de um sistema S depende apenas
do estado em que o sistema se encontra.
1. Tal estado é caracterizado pelas suas variáveis
macroscópicas (exs: P,V,T)
2. Este é um fato experimental!
2. Portanto, a variação da energia de um sistema
depende apenas dos estados inicial e final, sem
depender de processo para ir de i a f.
3. Q e W, contudo, dependem do processo!!
O exemplo seguinte ilustrará melhor este ponto.
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W E Q DEPENDEM DO CAMINHO
• Exemplo:
• Considere que desejamos aquecer uma certa
quantidade de água de 30 oC para 40 oC.
• Maneira 1: Colocamos o recipiente com água sobre uma chama.
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W E Q DEPENDEM DO CAMINHO
• Exemplo:
• Considere que desejamos aquecer uma certa
quantidade de água de 30 oC para 40 oC.
• Maneira 1: Colocamos o recipiente com água sobre uma chama.
• Praticamente não há trabalho realizado. A variação de energia
interna é devido basicamente ao calor transferido da chama
para a água.
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W E Q DEPENDEM DO CAMINHO
• Exemplo:
• Considere que desejamos aquecer uma certa
quantidade de água de 30 oC para 40 oC.
• Maneira 1: Colocamos o recipiente com água sobre uma chama.
• Praticamente não há trabalho realizado. A variação de energia
interna é devido basicamente ao calor transferido da chama
para a água.
• Maneira 2: Colocamos pás para girar dentro do recipiente.
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W E Q DEPENDEM DO CAMINHO
• Exemplo:
• Considere que desejamos aquecer uma certa
quantidade de água de 30 oC para 40 oC.
• Maneira 1: Colocamos o recipiente com água sobre uma chama.
• Praticamente não há trabalho realizado. A variação de energia
interna é devido basicamente ao calor transferido da chama
para a água.
• Maneira 2: Colocamos pás para girar dentro do recipiente.
• Há um trabalho realizado pelas pás
sobre a água.
![Page 37: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/37.jpg)
W E Q DEPENDEM DO CAMINHO
• Exemplo:
• Considere que desejamos aquecer uma certa
quantidade de água de 30 oC para 40 oC.
• Maneira 1: Colocamos o recipiente com água sobre uma chama.
• Praticamente não há trabalho realizado. A variação de energia
interna é devido basicamente ao calor transferido da chama
para a água.
• Maneira 2: Colocamos pás para girar dentro do recipiente.
• Há um trabalho realizado pelas pás
sobre a água.
• Mesmos estados iniciais e finais, mas trabalho
realizado e calor trocado são diferentes.
![Page 38: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/38.jpg)
W E Q DEPENDEM DO CAMINHO
• Portanto, as seguintes frases não fazem sentido:
• O calor que a água possuía foi perdido quando ela se
congelou.
![Page 39: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/39.jpg)
W E Q DEPENDEM DO CAMINHO
• Portanto, as seguintes frases não fazem sentido:
• O calor que a água possuía foi perdido quando ela se
congelou.
• No processo no qual água a 0 oC é transformada em gelo a
0 oC à pressão constante, há uma transferência de calor da
água para o ambiente.
![Page 40: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/40.jpg)
W E Q DEPENDEM DO CAMINHO
• Portanto, as seguintes frases não fazem sentido:
• O calor que a água possuía foi perdido quando ela se
congelou.
• No processo no qual água a 0 oC é transformada em gelo a
0 oC à pressão constante, há uma transferência de calor da
água para o ambiente.
• O sistema S possui 500 calorias.
![Page 41: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/41.jpg)
W E Q DEPENDEM DO CAMINHO
• Portanto, as seguintes frases não fazem sentido:
• O calor que a água possuía foi perdido quando ela se
congelou.
• No processo no qual água a 0 oC é transformada em gelo a
0 oC à pressão constante, há uma transferência de calor da
água para o ambiente.
• O sistema S possui 500 calorias.
![Page 42: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/42.jpg)
W E Q DEPENDEM DO CAMINHO
• Portanto, as seguintes frases não fazem sentido:
• O calor que a água possuía foi perdido quando ela se
congelou.
• No processo no qual água a 0 oC é transformada em gelo a
0 oC à pressão constante, há uma transferência de calor da
água para o ambiente.
• O sistema S possui 500 calorias.
• O sistema S possui uma energia interna de tantos joules. Esta
quantidade pode variar desde que ou façamos trabalho
sobre S ou transfiramos calor para S.
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DIAGRAMA P, V
• Num gás homogêneo, o estado é univocamente
determinado ao fornecemos P e V.
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DIAGRAMA P, V
• Num gás homogêneo, o estado é univocamente
determinado ao fornecemos P e V.
• Isto significa que T é função apenas de P e V. Mais adiante no
curso discutiremos qual é esta função.
![Page 45: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/45.jpg)
DIAGRAMA P, V
• Num gás homogêneo, o estado é univocamente
determinado ao fornecemos P e V.
• Isto significa que T é função apenas de P e V. Mais adiante no
curso discutiremos qual é esta função.
• Assim, as transformações termodinâmicas costumam
ser representadas em um diagrama P,V.
![Page 46: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/46.jpg)
DIAGRAMA P, V
• Um processo termodinâmico é representado pelo
conjunto de pontos que o gás passa entre seu estado
inicial e final.
• Exemplo:
P
V
i
f
![Page 47: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/47.jpg)
DIAGRAMA P, V
• Como calcular o trabalho realizado pelo gás neste
processo?
• Exemplo:
P
V
i
f
![Page 48: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/48.jpg)
DIAGRAMA P, V
• Como calcular o trabalho realizado pelo gás neste
processo?
• Exemplo:
P
V
i
f
Como vimos, num pro-
cesso infinitesimal:
![Page 49: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/49.jpg)
DIAGRAMA P, V
• Como calcular o trabalho realizado pelo gás neste
processo?
• Exemplo:
P
V
i
f
Num processo qualquer:
![Page 50: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/50.jpg)
DIAGRAMA P, V
• Como calcular o trabalho realizado pelo gás neste
processo?
• Exemplo:
P
V
i
f
Num processo qualquer:
Graficamente, o
trabalho
corresponde à área da
região hachurada.
![Page 51: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/51.jpg)
DIAGRAMA P, V
• W > 0 se o gás se expande e W < 0 caso se contraia.
• Exemplo:
P
V
i
f
Num processo qualquer:
Graficamente, o
trabalho
corresponde à área da
região hachurada.
![Page 52: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/52.jpg)
DIAGRAMA P, V
• Note que o trabalho depende do percurso!
• Exemplo:
P
V
i
f
P
V
i
f
![Page 53: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/53.jpg)
CALORIMETRIA
• Como calcular o calor trocado entre dois corpos?
• Depende do processo!
![Page 54: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/54.jpg)
FORMULAÇÃO INFINITESIMAL
• Para processos infinitesimais costumamos escrever
• A notação acima indica que dU é um diferencial
exato, enquanto calor e trabalho são diferenciais
inexatos.
![Page 55: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/55.jpg)
FORMULAÇÃO INFINITESIMAL
• Para processos infinitesimais costumamos escrever
• A notação acima indica que dU é um diferencial
exato, enquanto calor e trabalho são diferenciais
inexatos.
![Page 56: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/56.jpg)
FORMULAÇÃO INFINITESIMAL
• Para processos infinitesimais costumamos escrever
![Page 57: TERMODINÂMICA - disc-v.if.ufrj.brdisc-v.if.ufrj.br/Aulas/Parte1/Aula 51aLeVT20192.pdf•Experimento de Joule: Energia potencial gravitacional do peso é transformado em energia cinética](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041920/5e6b84aec4b28c4757545909/html5/thumbnails/57.jpg)
FORMULAÇÃO INFINITESIMAL
• Para processos infinitesimais costumamos escrever
• A notação acima indica que dU é um diferencial exato,
enquanto calor e trabalho são diferenciais inexatos.
• Isto significa que ao integrarmos dU entre os estados i e f,
basta calcularmos a diferença entre Uf e Ui, enquanto o mesmo não vale para o calor e para o trabalho.
• Exemplo matemático: seja f(x,y)= xy:
• d(f)=𝜕𝑓
𝜕𝑥𝑑𝑥 +
𝜕𝑓
𝜕𝑥𝑑𝑦 = 𝑦𝑑𝑥 + 𝑥𝑑𝑦. Ao integrarmos a equação
anterior entre (xi,yi) e (xf,yf): o lado esquerdo não depende da
trajetória escolhida, mas cada um dos termos à direita
depende.