Calor, Trabalho e a Primeira Lei da Termodinâmica

Calor trabalho e a primeira lei da Termodinâmica Apresentação Nesta Unidade de Aprendizagem serão estudados o trabalho e o calor A partir desses conceitos será enunciada a primeira lei da termodinâmica Com este estudo será possível analisar quando a energia pode ser transferida como trabalho ou como calor considerando um sistema e um ambiente Bons estudos Ao final desta Unidade de Aprendizagem você deve apresentar os seguintes aprendizados Explicar conceitos de trabalho e calor Relacionar trabalho e calor Identificar as implicações teóricas da primeira lei da termodinâmica Desafio Um homem levanta uma caixa de aproximadamente 100 N do chão até 20 cm da sua cabeça Considere que ele seja um sistema termodinâmico e explique onde se aplicam as variáveis da primeira lei Infográfico A primeira lei da termodinâmica significa conservação de energia pois a variação da energia interna é igual à variação do calor e do trabalho Ou seja ela muda de acordo com as duas formas de energia que ela pode perder ou ganhar energia Observe Conteúdo do livro O trecho selecionado para o estudo nesta Unidade de Aprendizagem aborda assuntos da termodinâmica o calor o trabalho e a primeira lei sendo o calor uma propriedade explicada no primeiro trecho do material O trabalho é uma grandeza já conhecida e há a introdução da primeira lei uma relação entre trabalho calor e energia interna Boa leitura Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto você deve apresentar os seguintes aprendizados Conceituar trabalho e calor Relacionar trabalho e calor Identificar as implicações teóricas da primeira lei da termodinâmica Introdução Trabalho e calor são formas de transferência de energia de uma subs tância ou sistema para outra Para a correta análise das transferências é necessária a utilização dos modelos matemáticos que governam os sistemas e o seu comportamento termodinâmico A transferência de calor e o trabalho de um sistema podem ser explicados de forma simples por meio da primeira lei da termodinâmica também conhecida como lei da conservação de energia Neste capítulo você vai estudar os conceitos relacionados ao trabalho e ao calor e o princípio da termodinâmica que os rege Esses conceitos são essenciais para que você analise de forma correta muitos problemas que envolvem processos industriais termodinâmicos Além disso você vai verificar a relação entre trabalho e calor e vai identificar as implicações teóricas e as aplicações da primeira lei da termodinâmica Conceitos de trabalho e calor Neste tópico vamos defi nir as duas grandezas mais importantes utilizadas na área da termodinâmica e mais especifi camente no estudo da transferência de energia o trabalho e o calor Tais conceitos nos levarão ao entendimento da primeira lei da termodinâmica 03213MaquinasPrimariasLivroindb 47 17082018 152722 Trabalho Embora o termo trabalho seja muito amplo é possível especifi car a sua defi nição técnica na área da termodinâmica Segundo Potter e Somerton 2017 essa defi nição deve abranger por exemplo o trabalho realizado pela expansão dos gases de combustão do motor de um carro como mostra a Figura 1 O processo de combustão do combustível libera uma quantidade de energia que é transferida para o virabrequim por meio da viela movimentando o motor e realizando assim uma forma de trabalho Nesse exemplo o trabalho é realizado por meio do intercâmbio de energia nos gases do cilindro do motor Figura 1 Exemplo de trabalho realizado pelos gases dentro de um motor Fonte Adaptada de Potter e Somerton 2017 p 42 Cilindro Pistão Velocidade Haste conectora Gases Por definição na física o trabalho é designado por W e obtido mediante o produto escalar de uma força F pela distância d caracterizando o desloca mento de um determinado objeto na direção da força conforme leciona Potter e Somerton 2017 O trabalho também é definido como a integral de uma força agindo entre os pontos 1 e 2 conforme é apresentado na seguinte equação Essa é uma definição mecânica de trabalho Já a definição termodinâmica diz que o trabalho é uma interação entre um sistema e sua vizinhança Este é realizado por um sistema se o único efeito externo sobre a vizinhança for por exemplo a elevação de um peso Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 48 03213MaquinasPrimariasLivroindb 48 17082018 152723 conforme explicam Potter e Somerton 2017 A Figura 2 mostra exemplos de trabalhos realizados por sistemas elétricos A convenção escolhida para o trabalho positivo é que se o sistema realiza o trabalho sobre a vizinhança ele é positivo Figura 2 Trabalho realizado por um sistema elétrico a trabalho de uma resistência elétrica e b trabalho realizado por um motor elétrico Fonte Adaptada de Potter e Somerton 2017 p 42 Resistência Bateria Bateria Fronteira do sistema Fronteira do sistema Motor 100 efciente Peso Polia sem atrito O trabalho associado com uma unidade de massa é definido como não se deve confundir com o peso específico Potter 2017 define que as unidades de trabalho são identificadas como unidades de força multiplicadas por unidades de distância no Sistema Inter nacional de Unidades SI utilizase newtonmetros Nm ou joules J no sistema imperial usase a unidade ftlbf Assim A taxa de realização de trabalho designada por W é chamada de potência No sistema SI a potência tem as unidades joules por segundo Js ou watts W no sistema imperial ftlbfsec Assim Trabalho para um sistema em rotação observe que o conceito de trabalho pode ser aplicado ao sistema da Figura 2b em que o motor possui uma polia 49 Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 03213MaquinasPrimariasLivroindb 49 17082018 152724 Nesse caso podemos utilizar a seguinte expressão para relacionar o trabalho rotacional Da mesma forma o trabalho pode ser expresso como o produto de uma força agindo ao longo de um deslocamento x Nesse caso pode ser relacionado com o torque o movimento rotacional cujo momento angular é o produto vetorial de onde r é o raio do ponto do torque A potência é onde ω é a velocidade angular do eixo Trabalho pela pressão dos gases considere o arranjo pistãocilindro na Figura 3 como sendo um sistema fechado considerando que não há efeitos externos como atrito forças elétricas ou magnéticas atuando sobre o sistema Dessa forma quando você move o pistão para cima correspondendo a uma pequena distância ds isso permite que ocorra uma expansão do gás Figura 3 Trabalho realizado por um gás dentro de um sistema pistãocilindro Fonte Adaptada de Potter e Somerton 2017 p 43 Gás Gás Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 50 03213MaquinasPrimariasLivroindb 50 17082018 152725 A pressão interna no pistão é expressa como uma pressão absoluta e o trabalho infinitesimal que o sistema o gás realiza no pistão consiste na força multiplicada pela pressão Assim onde P é a pressão A é a área do pistão W é o trabalho e ds é a distância percorrida pelo cilindro Assim o valor de Ads consiste no volume Portanto Quando o pistão se movimenta de um ponto 1 a um ponto 2 Na Figura 4 é apresentado o diagrama de pressãovolume do sistema descrito Veja que o trabalho W12 é diferente de W21 Isso se deve ao fato de que o trabalho depende da trajetória a ser percorrida portanto o trabalho não está associado a um estado mas a um processo conforme lecionam Potter e Somerton 2017 Figura 4 O trabalho de um sistema depende da trajetória percorrida Fonte Adaptada de Potter e Somerton 2017 p 43 51 Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 03213MaquinasPrimariasLivroindb 51 17082018 152726 Trabalho realizado por uma mola o trabalho necessário para deformar uma mola linear que possui uma constante elástica K de um comprimento x1 até um comprimento x2 Figura 5 pode ser calculado utilizandose a seguinte relação de força onde x é a distância efetiva que a mola será estendida Assim para calcular o trabalho utilizamos o conceito inicial escrito da seguinte forma Figura 5 Trabalho realizado por uma mola de constante K Fonte Adaptada de Potter e Somerton 2017 p 47 Posição não estendida Trabalho realizado por um sistema elétrico outro tipo de sistema que é utilizado amplamente para calcular a quantidade de trabalho realizado é o sistema elétrico conforme apresentado na Figura 6 A diferença de potencial V entre os terminais da bateria é a força que impulsiona a carga q através do resistor durante o incremento de tempo Δt A corrente i está relacionada com a carga por i dqdt Se a corrente for constante a carga é q i Δt Desse modo o trabalho elétrico pode ser escrito da seguinte forma Essa forma de cálculo é frequentemente utilizada para se determinar a energia dissipada por um sistema elétrico puramente resistivo Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 52 03213MaquinasPrimariasLivroindb 52 17082018 152727 Figura 6 Trabalho realizado por um sistema elétrico Fonte Adaptada de Potter e Somerton 2017 p 48 Resistência Bateria Corrente Trabalho realizado pela gravidade quando um corpo é erguido em um campo gravitacional sua energia potencial aumenta Da mesma forma quando um corpo é acelerado sua energia cinética aumenta conforme lecionam Çengel e Boler 2013 O princípio de conservação da energia exige que uma quantidade equivalente de energia seja transferida para o corpo que é erguido ou acelerado Dessa forma ainda conforme Çengel e Boler 2013 O trabalho necessário para elevar um corpo é igual à variação da energia potencial do corpo onde m é a massa do corpo g é a aceleração da gravidade e h é a altura efetiva de deslocamento Veja que h pode ser positiva ou negativa dependendo do sistema de referência a ser utilizado O trabalho necessário para acelerar um corpo é igual à variação da energia cinética do corpo onde V1 e V2 são as velocidades inicial e final do corpo Da mesma forma a energia potencial ou cinética de um corpo representa o trabalho que pode ser obtido do corpo à medida que é abaixado até o nível de referência ou desacelerado até a velocidade zero 53 Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 03213MaquinasPrimariasLivroindb 53 17082018 152728 Exemplo 1 energia necessária para um carro subir um aclive Considere um automóvel pesando 1200 kg trafegando à velocidade constante de 90 kmh em uma estrada plana O automóvel então começa a subir uma ladeira com 30 de inclinação em relação à horizontal figura abaixo Para que a velocidade do automóvel permaneça constante durante a subida determine a potência adicional que deve ser fornecida pelo motor Fonte Çengel e Boler 2013 p 69 Solução Um automóvel deve subir uma ladeira e manter uma velocidade constante A po tência adicional necessária deve ser determinada A potência adicional necessária é simplesmente o trabalho que precisa ser realizado por unidade de tempo para elevar a altura do automóvel que é igual à variação da energia potencial do automóvel por unidade de tempo 90 kmh 30 m 1200 kg Exemplo 2 energia para acelerar um carro Determine a potência necessária para acelerar um automóvel de 900 kg mostrado na figura abaixo indo de uma velocidade inicial de 0 kmh até 80 kmh em 20 s em uma estrada plana m 900 kg 0 80 kmh Fonte Çengel e Boler 2013 p 69 Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 54 03213MaquinasPrimariasLivroindb 54 17082018 152730 Calor Por defi nição o calor é a manifestação física da energia térmica Dessa forma o calor é a energia transferida através da fronteira de um sistema devido à dife rença de temperatura entre o sistema e sua vizinhança Esse fenômeno também é chamado de transferência de calor conforme lecionam Potter e Somerton 2017 Pense por exemplo em um bloco quente e um bloco frio ambos com a mesma massa O bloco quente contém mais energia do que o frio pois sua atividade molecular é maior ou seja sua temperatura é mais elevada Quando os blocos são colocados em contato um com o outro a energia fl ui do bloco quente para o frio por meio da transferência de calor Com o tempo os blocos alcançam o equilíbrio térmico com ambos atingindo a mesma temperatura A transferência de energia por calor é representada na Figura 7 em que o calor e o trabalho podem atravessar a fronteira de um sistema fechado Essas duas formas de energia serão discutidas neste capítulo e são a base para a interpretação das leis da termodinâmica Pense agora em outra situação da vida real você deixa uma lata de refrigerante gelada sobre uma mesa ela aquece após um certo tempo da mesma forma que uma batata assada colocada sobre a mesma mesa esfria Quando um corpo é deixado em um meio que está a uma temperatura diferente a transferência de energia ocorre entre o corpo e o meio até que o equilíbrio térmico seja estabelecido ou seja até que o corpo e o meio atinjam a mesma temperatura conforme lecionam Çengel e Boler 2013 A direção da transferência de energia sempre é do corpo com temperatura mais alta para aquele com temperatura mais baixa A transferência de energia calórica acontece até que a temperatura de ambos os corpos seja a mesma Solução A potência necessária para acelerar um automóvel até uma velocidade especificada deve ser determinada O trabalho necessário para acelerar um corpo é simplesmente a variação da energia cinética do corpo Assim a potência média é determinada por 55 Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 03213MaquinasPrimariasLivroindb 55 17082018 152730 Figura 7 Transferência de energia e trabalho em um sistema fechado Fonte Çengel e Boler 2013 p 60 Assim Çengel e Boler 2013 resumem que o calor é a forma de energia transferida entre dois sistemas ou entre um sistema e sua vizinhança em virtude da diferença de temperaturas Figura 8 Dessa forma não pode haver qualquer transferência de calor entre dois sistemas que estejam à mesma temperatura Figura 8 Quanto maior é a diferença de temperatura maior é a transferência de calor Fonte Çengel e Boler 2013 p 60 Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 56 03213MaquinasPrimariasLivroindb 56 17082018 152730 Segundo Potter e Somerton 2017 o calor assim como o trabalho é algo que cruza uma fronteira ou limite de um determinado sistema Para um processo em particular entre o estado 1 e o estado 2 a transferência de calor pode ser indicada por Q12 mas geralmente é denotada por Q Às vezes é conveniente referirse à transferência de calor por unidade de massa A transferência de calor por unidade de massa é designada por q e definida por A taxa de transferência de calor será denotada por onde o ponto sig nifica a derivada com relação ao tempo ou por unidade de tempo A taxa de transferência de calor tem a unidade kJs que equivale a kW conforme explicam Çengel e Boler 2013 Quando varia com o tempo o calor transferido durante o processo é determinado pela seguinte expressão Se o valor de é constante a expressão anterior pode ser escrita da se guinte forma sendo que Δt t2 t1 o intervalo em que ocorre o processo Trabalho e calor Trabalho e calor são duas formas de energia que apresentam unidades equi valentes Essas grandezas físicas são intercâmbios energéticos que acontecem como consequência das interações experimentadas pelos sistemas termodinâ micos Tanto o calor como o trabalho são manifestações externas da energia que são evidenciadas unicamente na fronteira dos sistemas Além disso essas manifestações somente serão perceptíveis quando as variáveis físicas experimentarem mudanças nos seus estados termodinâmicos 57 Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 03213MaquinasPrimariasLivroindb 57 17082018 152731 Os sistemas podem receber ou ceder energia nas interações que experimentam A energia é considerada como uma magnitude algébrica estabelecendose os seguintes critérios o trabalho que o sistema fornece Wsai é positivo e o trabalho que o sistema recebe Went é negativo conforme lecionam Potter e Somerton 2017 e Çengel e Boler 2013 Já o calor subministrado ao sistema Qent é considerado positivo e o calor cedido pelo sistema Qsai é negativo Figura 9 Figura 9 Convenção de direção da energia em forma de calor Q e trabalho W Fonte Çengel e Bolar 2013 p 63 Sistema Vizinhança Qent Qsai Went Wsai Como vimos de acordo com Potter e Somerton 2017 o calor é uma forma de energia que é transmitida através do limite de um sistema que está a uma determinada temperatura a outro sistema que está a uma temperatura mais baixa devido à diferença de temperatura entre esses corpos Dessa forma o trabalho de um sistema termodinâmico acontece a partir da troca de calor com o meio ambiente ou com outro sistema É importante conhecer os modos de transferência de calor e o trabalho efetivo que um determinado sistema pode realizar Assim existem três modos de transferência de calor condução convecção radiação Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 58 03213MaquinasPrimariasLivroindb 58 17082018 152731 A transferência de calor por condução ocorre devido à presença de diferenças de temperatura dentro do material e é expressa matematicamente pela lei de Fourier da transferência de calor que assume a seguinte forma onde k é a condutividade térmica com unidades de BtusecftR L é a espessura da parede ΔT é a diferença de temperatura e A é a área da parede Em geral a transferência de calor é relacionada com o fator R comum a resistividade do material dada por Rmat Lk A transferência de calor por convecção ocorre quando a energia é trans ferida de uma superfície sólida para um fluido em movimento A convecção é expressa em termos da diferença entre a temperatura macroscópica do fluido T e a temperatura da superfície Ts A lei do resfriamento de Newton expressa isso como onde hc é o coefi ciente de transferência de calor convectivo com unidades Btusecft2R e depende das propriedades do fl uido incluindo a sua velocidade e da geometria da parede Já a radiação é a energia transferida na forma de fótons Ela pode ser transferida através de um vácuo perfeito ou de substâncias transparentes como o ar A radiação é calculada pela seguinte expressão onde σ é uma constante igual a ε é a emissividade que varia entre 0 e 1 em que ε é 1 para um corpo negro e Tviz é a temperatura uniforme da vizinhança As temperaturas devem ser temperaturas absolutas 59 Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 03213MaquinasPrimariasLivroindb 59 17082018 152732 Exemplo 3 cálculo de transferência de calor por condução Uma parede de 10 m de comprimento e 3 m de altura é composta por uma camada isolante com R 2 m2KW e uma camada de madeira com R 015 m2KW Calcule a taxa de transferência de calor através da parede se a diferença de temperatura é de 40C Solução A resistência total ao fluxo de calor através da parede é Dessa forma a taxa de transferência de calor é Observe que ΔT medida em C é igual à mesma ΔT medida em kelvins Fonte Potter e Somerton 2017 p 51 Implicações teóricas da primeira lei da termodinâmica A primeira lei da termodinâmica é também conhecida como lei da conser vação de energia nos sistemas isolados Quando você estudou física básica utilizou os princípios da conservação de energia para sistemas mecânicos como as energias cinética e potencial e sua relação com o trabalho Po rém de forma geral a conservação de energia inclui também os efeitos da transferência de calor e as mudanças na energia interna Essa forma geral normalmente é chamada de primeira lei da termodinâmica conforme lecionam Potter e Somerton 2017 e Çengel e Boler 2013 Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 60 03213MaquinasPrimariasLivroindb 60 17082018 152732 Assim a primeira lei da termodinâmica define que a transferência de calor líquida deve ser igual ao trabalho líquido realizado para um sistema executando um ciclo expresso em forma de equação por ou onde a integral anterior faz referência a um ciclo completo A primeira lei da termodinâmica pode ser explicada por meio do exemplo a seguir seja uma massa com determinado peso ligada a uma polia que movimenta uma hélice dentro de um fluido conforme mostra a Figura 10 O peso cai uma certa distância realizando trabalho sobre o sistema sendo esse trabalho mecânico igual ao peso multiplicado pela distância da queda Wmec mgh Essa queda produz um aumento da temperatura do sistema o fluido no tanque em ΔT Em seguida o sistema volta às suas condições iniciais finalizando o ciclo e transfere o calor Q gerado ao meio ambiente como apresentado na Figura 10b reduzindo assim a temperatura para o valor inicial A primeira lei afirma que essa transferência de calor será exatamente igual ao trabalho realizado pela gravidade sobre a massa que cai Figura 10 Exemplificando a primeira lei da termodinâmica Fonte Potter e Somerton 2017 p 63 61 Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 03213MaquinasPrimariasLivroindb 61 17082018 152732 Primeira lei da termodinâmica aplicada a processos cíclicos Geralmente a primeira lei da termodinâmica é aplicada a processos cíclicos que partem de um estado inicial passam por diversos processos ou estados e então voltam ao estado inicial Veja a Figura 11 que apresenta um ciclo com duas etapas A e B Aplicandose a primeira lei a esse ciclo teremos as seguintes expressões Figura 11 Ciclo termodinâmico de duas etapas Fonte Adaptada de Potter e Somerton 2017 p 63 Utilizando as propriedades das integrais obtemos a seguinte expressão ou Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 62 03213MaquinasPrimariasLivroindb 62 17082018 152733 Ou seja a quantidade de Q W do estado 1 para o estado 2 é a mesma tanto para a trajetória A quanto para a trajetória B Isso significa que esses processos somente dependem dos valores iniciais e finais e não dos estados ou da trajetória intermediária Assim podemos representar em forma geral onde o valor Q12 é o calor transferido para o sistema durante o processo de mudança do estado 1 para o estado 2 W12 é o trabalho realizado nesse mesmo processo e E1 e E2 são a quantidade de energia que tem o sistema no estado 1 e no estado 2 respectivamente O valor de E representa toda a energia a energia cinética KE a energia potencial PE e a energia interna U o que inclui a energia química Todas as outras formas de energia também estão incluídas na energia total E Assim a primeira lei da termodinâmica assume a forma Para o caso de um sistema isolado que não possui transferência de energia nem trabalho líquido aplicado a primeira lei da termodinâmica se torna a lei de conservação de energia ou seja 63 Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 03213MaquinasPrimariasLivroindb 63 17082018 152733 Exemplo 4 aplicação da primeira lei da termodinâmica a um ventilador de ar Um ventilador de 5 hp é usado em uma sala grande para circular o ar Pressupondo uma sala vedada e bem isolada determine o aumento da energia interna após 1 h de operação Solução Pressupõese que Q 0 Como ΔPE ΔKE 0 a primeira lei passa a ser W ΔU O trabalho fornecido é O sinal é negativo porque o trabalho é fornecido ao sistema Por fim o aumento da energia interna é Fonte Potter e Somerton 2017 p 64 Exemplo 5 aplicação da primeira lei da termodinâmica a um sistema pistãocilindro Um pistão sem atrito é usado para fornecer uma pressão constante de 400 kPa a um cilindro contendo vapor originalmente a 200C com volume de 2 m3 Calcule a temperatura final se 3500 kJ de calor são adicionados Solução A primeira lei da termodinâmica utilizandose ΔPE ΔKE 0 é Q W ΔU O trabalho realizado durante o movimento do pistão é A massa antes e depois permanece inalterada Utilizandose as tabelas de calor esse fato é expresso como O volume V2 é escrito na forma V2 m 3744 v2 Dessa forma utilizandose u1 das tabelas de vapor a primeira lei é Fonte Potter e Somerton 2017 p 65 Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 64 03213MaquinasPrimariasLivroindb 64 17082018 152734 1 Uma massa de 2 kg está sobre um pistão que tem dentro um gás ideal Quanto de energia térmica é necessária para levantar 2 cm esse pistão Considere que toda a energia fornecida se converte em trabalho a 0572 J b 0196 J c 0392 J d 0763 J e 0873 J 2 Um pistão contendo um gás está preso Caso se forneça 20 J de energia qual é a variação da energia interna do gás Se uma massa de 10 kg for colocada sobre o pistão e se ele for liberado por 5 cm sendo considerado que não há troca de calor qual será a variação da energia interna do gás nessa etapa Por fim qual é a variação da energia interna total a A primeira variação é 20 J a segunda variação é 49 J a variação total é 151 J b A primeira variação é 20 J a segunda variação é 49 J a variação total é 249 J c A primeira variação é 20 J a segunda variação é 49 J a variação total é 249 J d A primeira variação é 20 J a segunda variação é 49 J a variação total é 151 J e A primeira variação é 20 J a segunda variação é 49 J a variação total é 151 J 3 Um reservatório térmico fornece 500 J de calor a um sistema termodinâmico Se o sistema efetua um trabalho de 350 J qual é a variação da energia interna do sistema a 200 J b 850 J c 150 J d 850 J e 150 J 4 Um gás tem volume inicial de 1 m3 então ele é expandido para 2 m³ Se a pressão no processo é dada por P 3V2 qual é a quantidade de trabalho realizada no processo a 0 J b 7 J c 7 J d 21 J e 15 J 5 Em um diagrama pV formase um retângulo com o lado paralelo ao volume medindo 4 e o lado paralelo à pressão valendo 2 Qual é o trabalho realizado em um ciclo completo a 12 J b 2 J c 4 J d 8 J e 6 J 65 Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 03213MaquinasPrimariasLivroindb 65 17082018 152734 Ç ENGEL Y BOLER M Termodinâmica 7 ed Porto Alegre AMGH 2013 POTTER M C SOMERTON C W Termodinâmica para engenheiros 3 ed São Paulo Bookman 2017 Leituras recomendadas BORGNAKKE C SONNTAG R E Fundamentos da termodinâmica São Paulo Blucher 2013 ESPARTEL L Hidráulica aplicada Porto Alegre SAGAH 2017 STROBEL C Termodinâmica técnica Curitiba Intersaberes 2016 YOUNG H D FREEDMAN R A Física II termodinâmica e ondas 12 ed São Paulo Pe arson 2008 Calor trabalho e a primeira lei da termodinâmica 66 03213MaquinasPrimariasLivroindb 66 17082018 152734 Dica do professor A seguir estão disponíveis mais informações sobre essas variáveis e sobre a primeira lei da termodinâmica Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Exercícios 1 Uma massa de 2 kg está sobre um pistão que tem dentro um gás ideal quanto de energia térmica é necessária para levantar 2 cm esse pistão Considere que toda a energia fornecida se converte em trabalho A 0572 J B 0196 J C 0392 J D 0763 J E 0873 J 2 Um pistão contendo um gás está preso Caso se forneça 20 J de energia qual é a variação da energia interna do gás Se uma massa de 10 kg for colocada sobre o pistão se ele for liberado por 5 cm e se for considerado que não há troca de calor qual será a variação da energia interna do gás nessa etapa Por fim qual é variação da energia interna total A A primeira variação é 20 J a segunda variação é 49 J a variação total é 151 J B A primeira variação é 20 J a segunda variação é 49 J a variação total é 249 J C A primeira variação é 20 J a segunda variação é 49 J a variação total é 249 J D A primeira variação é 20 J a segunda variação é 49 J a variação total é 151 J E A primeira variação é 20 J a segunda variação é 49 J a variação total é 151 J 3 Um reservatório térmico fornece 500 J de calor a um sistema termodinâmico Se o sistema efetua um trabalho de 350 J qual é a variação da energia interna do sistema A 200 J B 850 J C 150 J D 850 J E 150 J 4 Um gás tem volume inicial de 1 m3 então ele é expandido para 2 m3 Se a pressão no processo é dada por P3V2 Quanto trabalho ele realiza no processo A 0J B 7J C 7J D 21J E 15J 5 Num diagrama pV se forma um retângulo com o lado paralelo ao volume medindo 4 e o lado paralelo a pressão valendo 2 Qual é o trabalho realizado num ciclo completo A 12J B 2J C 4J D 8J E 6J Na prática Por exemplo suponha que queremos fornecer 500 J de trabalho Pela primeira lei em um ciclo completo teremos que fornecer 500 J de calor Agora se quisermos saber a quanto de combustível isso equivale precisamos de uma conversão de combustível versus calor Saiba Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto veja abaixo as sugestões do professor Acompanhe uma conversa sobre a primeira lei da termodinâmica Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Veja estes exercícios resolvidos sobre a primeira lei Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Neste vídeo você poderá estudar sobre um experimento mental que parece desafiar a 2a Lei da Termodinâmica Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar