TMA Capitulo 02 – Primeira Lei Pontos Importantes: Apresentar definição e conceitos de Energia Apresentar definição e conceitos de Calor Apresentar definição e conceitos de Trabalho Discutir o conceito de reversibilidade Apresentar 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. 01 Fronteira = é a interface imaginária entre o sistema e suas vizinhanças. Tipos de sistema TMA Sistema aberto ou fechado : A pele humana 02 Um erlenmeyer Sistema isolado : Uma garrafa térmica perfeita Tipos de sistema TMA Relembrando : Sistema de um componente ou multicomponente Sistema homogêneo ou heterogêneo Sistema reativo ou não reativo Sistema simples ou complexo 03 Tipos de sistema TMA Sistemas termodinâmicos Tipo (Exemplo) Isolado ( universo) Não existe troca de matéria nem energia com as vizinhanças Fechado ( uma máq. de Pebolim) Energia pode passar pela fronteira, mas matéria não Adiabático(Garrafa térmica perfeita) Não existe transferência de energia na forma de calor Ambos, energia e matéria podem atravessar a Aberto ( um aquário) fronteira Tipos de Processo 04 Adiabático Processo ocorre sem troca de calor Isocórico Isométrico ou isovolumétrico – Volume constante Isotérmico Processo ocorre a temperatura constante Isobárico Processo ocorre a pressão constante Isentálpico Processo ocorre a entalpia constante Isentrópico Processo ocorre a entropia constante Tipos de fronteira TMA Tipos de fronteira: Fronteira rígida (não transmite força mecânica) Fronteira impermeável (não transmite massa) Fronteira adiabática (não transmite calor) Fronteira Diatérmica : 05 Fronteira Adiabática : Energia TMA •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: 06 Energia cinética: energia associada a qualquer tipo de movimento Energia potencial: é capaz de promover mudança de posição em relação a um campo gravitacional Energia interna: a energia interna de um sistema é a energia associada com as condições internas do sistema. Energia TMA Energia cinética: Está associado ao efeito de uma força tendo como resultado um deslocamento Força Sistema (Corpo) Sistema (Corpo) F .d s Trabalho de F entre s e s d s 1 EC m V22 V12 2 Trabalho da força resultante = Energia transferida ao corpo = 07 Variação da energia Cinética Entre S1 e S2 Acumulo de energia armazenada no corpo na forma de energia cinética TMA Energia Energia potencial: é capaz de promover mudança de posição em relação a um campo gravitacional Ep (gravitacional) mgh q1q 2 E p (elétrica) 40 r 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 08 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 H2O TMA Trabalho = transferencia de energia • Calor é o fluxo de energia movida por uma diferença de temperatura • TRABALHO é o fluxo de energia motivado por qualquer outra força motriz. 09 Trabalho TMA •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 10 Trabalho TMA 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. Espécie de trabalho dW Comentário Expansão -pexdV pex – pressão externa Pa dV – variação do volume m3 - tensão superficial Nm-1 d - variação de área m2 f – tensão N dl – variação do comprim. M - potencial elétrico V dq variação carga elétrica C Expansão superficial Extensão Elétrico 11 d fdl dq Unidade Energia e Trabalho TMA Quando se faz trabalho sobre um sistema, a capacidade de o sistema efetuar trabalho aumenta, e a energia do sistema aumenta. Quando o sistema efetua trabalho, há redução da energia do sistema pois diminui a capacidade de realizar trabalho. EXEMPLO: Um exemplo cássico de trabalho mecânico considera a compressão de um gás em um cilindro de um motor. Considerando o gás como sistema o trabalho é realizado sobre o sistema pela superfície do pistão 12 Trabalho TMA F l W Fl F Al PV A 2 W PdV 1 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. 13 TMA Trabalho e movimento atômico 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 Energia W<0 Trabalho Energia W>0 Trabalho 14 TMA Trabalho Diga, 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 está realizando 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. (compartimento de carga=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) 15 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 TMA 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 16 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 TMA Calor e movimento atômico 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 Energia q<0 Calor Energia q>0 Calor 17 TMA A primeira Lei Define um conceito de energia interna como a energia total de um sistema na termodinâmica A 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) 18 TMA A primeira Lei A energia interna : é uma função de estado é uma propriedade extensiva Calor e Trabalho não são funções de estado Energia interna, trabalho e calor medem-se em Joule (SI) 19 TMA 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. 20 TMA JAMES JAULE 21 TMA 22 A primeira Lei TMA 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 = 0 SISTEMA FECHADO variação da energia interna = função de q ew SISTEMA 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 U Q W 23 dU Q W TMA Convensão de sinais -Calor fornecido ou liberado pelo sistema – Sinal negativo -Calor absorvido pelo sistema – Sinal positivo -Trabalho executado pelo sistema, contra as forças de pressão externas, seu sinal é negativo -Trabalho executado sobre o sistema, pela força de pressão externa, seu sinal é positivo 24 TMA 25 Expansão TMA Variação de volume – pode ser positivo ou negativo dw Fdz dw pexdV Vf w p ex dV Vi O trabalho é positivo quando é realizado no sistema pelas vizinhanças, e negativo se o sistema realiza trabalho sobre a vizinhança O sinal negativo nos informa que quando o sistema desloca o corpo contra a força, a energia interna do sistema que efetua o trabalho diminui. 26 TMA Trabalho Expansão livre Expansão livre é a expansão contra uma força nula. Ocorre quando a pressão externa é zero. W=0. 27 TMA Trabalho 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 28 TMA Trabalho Expansão reversível É uma transformação que pode ser invertida pela modificação infinitesimal de uma variável Reversível X Irreversível 29 Trabalho TMA Expansão reversível , isotérmica, de gás ideal Considerando um gás ideal PV=nRT Vf dV w nRT nRT ln V Vi Vi Vf 30
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