1) De que forma o calor ou a
energia térmica é transformada em trabalho?
As máquinas térmicas revolucionaram a sociedade moderna ao permitirem que o calor pudesse ser transformado em movimento. Um aspecto importante a considerar nessas transformações é que os gases (fluidos), que realizam trabalho ao mover êmbolos ou pistões, precisam ser aquecidos. E, nesse processo, parte do calor usado no aquecimento se perde, ou seja, a energia térmica é dissipada. Considerando essa energia térmica dissipada e a que foi transformada em trabalho, para tratar o funcionamento das máquinas térmicas é introduzido um novo conceito físico, a energia interna (U), que se relaciona diretamente com a temperatura do corpo ou do sistema.
2) O que é energia interna de um
sistema?
Energia Interna (U) é uma grandeza que corresponde à soma das energias das partículas microscópicas de um corpo, experimentando variação sempre que há mudança de fase e/ou variação de temperatura. A energia interna corresponderá à soma das energias de movimento de todas as partículas que formam um corpo. Quanto maior for a temperatura de um corpo, maior será a velocidade média e, consequentemente, maior será a energia cinética média de suas partículas. Sempre que há mudança de temperatura e/ou mudança de estado físico a energia interna de um corpo varia. Deste modo a energia do movimento das moléculas de um sistema é transformada em energia interna devido à presença de atrito entre essas moléculas.
3) Exemplo de atuação da energia
interna:
Observe que a energia interna é semelhante à
energia cinética total das partículas, o que mostra a compatibilidade com a
definição de energia interna.
Um
corpo não contém calor, pois ele é uma forma de energia em trânsito. Mas contém
energia interna:
Ao ligarmos um ferro de passar roupas à tomada, uma resistência elétrica converterá a eletricidade em energia interna que se acumulará na chapa metálica, que é aquecida rapidamente. Contudo, ao desligar o ferro da tomada, a energia interna se dissipará sob forma de calor para o ar ambiente após algum tempo de contato com ele, o que provoca o resfriamento da chapa até chegar a temperatura do ar.
4) Como é tratada pela Física a relação
entre o calor, a energia interna de um corpo ou sistema, e o trabalho
realizado?
Esclarecida
com o conceito de energia interna, e notando que o calor pode ser transformado
em trabalho numa máquina térmica. E em qualquer máquina térmica há uma energia
química de algum combustível que pode ser transformada em trabalho no momento
do seu funcionamento. Além disso, parte
do calor cedido pela fonte quente sai da máquina junto com um gás aquecido, e
as peças da máquina se aquecem e trocam calor com o ambiente.
Assim, é possível afirmar que a quantidade de calor (Q) fornecida pelo combustível aumenta sua energia interna (ΔU) e realiza trabalho (τ). A expressão Q = τ + ΔU é válida não somente para as máquinas térmicas, mas também para todo o processo que envolve transformação de calor em trabalho. Por isso, é considerada um princípio, ao qual se dá o nome de primeira lei da Termodinâmica.
5) Como
é entendida a primeira Lei da Termodinâmica?
A Termodinâmica é um ramo da física fundamentada em leis comprovadas
empiricamente e com validade universal a respeito da transformação do calor em
energia mecânica.
A primeira lei da Termodinâmica (o princípio universal da conservação da
energia) afirma que a energia não pode ser criada ou destruída, mas apenas
transformada de uma forma em outra.
A primeira lei da Termodinâmica, para sistemas fechados, pode ser
expressa matematicamente como:
ΔU = Q − τ
ΔU = variação da energia interna
Q = a quantidade de calor
τ = quantidade de trabalho
Se ΔU = Q − τ, então, seguindo a convenção de sinais:
Q > 0 quando o calor é absorvido pelo sistema
τ > 0 quando o trabalho é realizado pelo sistema
6) Exemplo de sistema fechado:
Gás confinado num recipiente que está munido de um êmbolo móvel.
Nessa situação, se o sistema recebe 800 J de calor e produz 500 J de
trabalho, então:
ΔU = 800−500 → ΔU = +300 J (sinal positivo indica que há um aumento da
energia interna)
Numa outra hipótese, se o sistema rejeita 400 J de calor e sua energia
interna diminui de 200 J, então:
− 200 = −400 − τ → τ= −200 J (sinal negativo
indica que o trabalho é realizado sobre o sistema)
Atividades:
1) Julgue cada afirmativa como
verdadeira (V) ou falsa (F):
a) Qualquer sistema que seja
possível realizar transformação de calor em energia mecânica é chamado de
máquina elétrica. ( )
b) O sistema fogão + panela
com água é um exemplo de máquina térmica.
c) A água na panela possui uma
energia interna que pode variar conforme varia a temperatura a que for exposta.
d) Conhecida também como
“Princípio universal da conservação da energia”, tem como fundamento o fato de
que a energia não pode ser criada nem destruída. Ela é transformada de uma
forma em outra.
e) Quando o trabalho é
positivo, sabemos que ele é realizado pelo sistema e quando é negativo é que o
trabalho é realizado sobre ele.
f) Sempre que há mudança de
temperatura ou mudança de estado físico de um corpo, sua energia interna também
varia.
g) A temperatura indica quanta
energia há em um sistema.
h) A temperatura e a energia
interna são diretamente proporcionais. (
)
2) Uma fonte cede 500J
de calor a um sistema, ao mesmo tempo que ele realiza um trabalho de 100 J.
Sabendo-se que durante esse processo, não ocorrem outras trocas de energia com
o meio exterior. Qual a variação de energia interna do sistema?
3) O motor 250cc de uma
motocicleta realiza um trabalho de 500 J enquanto recebe 2.000 J de energia por
ciclo. Qual a variação da energia interna da mistura gasosa desse motor por
ciclo?
4) Transfere-se calor a um
sistema, num total de 200 calorias. Verifica-se que o sistema se expande,
realizando um trabalho de 150 J, e que sua energia interna aumenta:
a) Considerando 1 cal = 4 J,
calcule a quantidade de energia transferida ao sistema, em joules.
b) Calcule a variação de
energia interna desse sistema.
5) Sobre um
sistema realiza-se um trabalho de 3.000 J e, em consequência ele fornece 500
cal ao meio externo durante o mesmo intervalo de tempo. Se 1 cal = 4,2 J,
determine a variação de energia do
sistema.
6) Um sistema
recebeu do meio externo a ele uma quantidade de calor igual a 8.000 cal e
realizou, sobre esse meio, um trabalho de 20.000 J. Em joules, qual a variação
da energia interna desse sistema? ( considere 1 cal = 4,2 J)
(A) 13.600
(B) – 12.000
(C) 12000
(D) – 13600
(E) 14000
7) Considere o texto:
“Um conceito amplo de calor se refere a forma de transferência de
energia não mecânica entre sistema e vizinhança, ou seja, uma forma de
transferência de energia entre sistema e vizinhança não relacionada a trabalho
mecânico, podendo ser decorrente de diferença de temperatura entre sistema e
vizinhança ou mesmo advinda de radiação solar etc.”
Levando em consideração o
texto apresentado acima, podemos dizer que se a terra recebe uma quantidade de
energia Q do sol, então considerando
que não há trabalho realizado sobre a terra nem por ela, a variação de energia
interna da terra neste processo é, de acordo com a primeira lei da
termodinâmica:
(A) ΔU = Q, que corresponde ao calor por radiação
recebida do Sol.
(B) ΔU = 0.
(C) ΔU
= 2Q.
(D) ΔU = Q/2.
8) Podemos dizer que se um
sistema termodinâmico libera para a vizinhança, num certo processo, uma
quantidade de calor cujo valor absoluto é 7 J e realiza um trabalho de 3 J
então, de acordo com a primeira lei da termodinâmica, a variação de energia
interna do sistema, é:
(A) 10 J
(B) –10 J
(C) 4 J
(D) –4 J
Aprofunde-se:
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