Termodinâmica: Primeira Lei, Trabalho e Calor

Aula apresentada no concurso para docente de Química Geral do IFPE em 2017.

1. Prova de Desempenho Concurso para docente do IFPE Edital 125/2016-GR Professor candidato: Carlos Augusto Cabral Kramer 1 Termodinâmica Primeira Lei | Energia interna | Trabalho | Calor

2. O que vamos aprender nesta aula? 2 Princípio da conservação da energia; O conceito de energia interna; Primeira lei da termodinâmica; Energia interna de um gás ideal; Conceitos de trabalho e calor; Classificação dos sistemas termodinâmicos; Conceito de trabalho reversível e irreversível; Trabalho de compressão/expansão de um pistão; Trabalho de expansão livre, extra e nulo

3. De onde vem a energia do Usain Bolt ? Figura 01. Usain Bolt nas olimpíadas do Rio 2016 3 http:// giphy.com/gifs/usain-bolt-PGMyvQrupEd20, 2016 Figura 02. Alimentos Fonte: http ://greenstore4u.com/, 2016 Alimentos O 2(g) CO 2(g) H 2 O (l) Energia Digestão Reação biológica de obtenção de energia

4. A grande sacada de Julius Mayer 4 Fonte: http://www.mundobiologia.com/ Figura 03. Estrutura da Hemoglobina Figura 04. Hemácia Fonte: http://www.mundobiologia.com/ Transporte dos gases Figura 05. Tipos de sangue Fonte: http:// image.slidesharecdn.com, 2016 Rico em CO 2 Rico em O 2

5. A grande sacada de Julius Mayer 5 Figura 06. Julius Robert von Mayer Em 1840 trabalhava como médico no navio cargueiro Java e como procedimento para diminuição da pressão cardíaca dos marinheiros retirava-lhe pequenas quantidades de sangue arterial Percebeu que em regiões tropicais o sangue venoso era mais avermelhado que nas regiões temperadas, pois o consumo de oxigênio era menor. Energia dos alimentos Calor (q) Trabalho (w) Fonte: http://www.nndb.com/, 2016 Figura 07. Temperatura de funcionamento do corpo humano é de 37 oC Figura 08. O corpo humano realiza inúmeros trabalhos ao mesmo tempo Fonte: http:// www.nndb.com, 2016 Fonte: http:// www.nndb.com, 2016 Um dos principais fundadores da termodinâmica...

6. Princípio da equivalência energética 6 365 m Mayer dedicou grande parte de sua vida ao estudo da dinâmica energética. Em 1842 calculou que a energia necessária para elevar 1g de água a 365 m é igual a energia necessária para elevar a temperatura desta mesma massa de água de 0 para 1 o C Fonte: http://br.depositphotos.com/, 2016 Fonte: AUTOR, 2016 ~4,18J Figura 09. Trabalho para subir 365 m Figura 10. Elevação de 1 oC

7. A grande sacada de Julius Mayer 7 Cada batida do coração custa 1J de energia Fluxo da sangue (trabalho) Transformação em calor 20% 80% 343 kcal = 1441 KJ Uma unidade 1.441.000 batimentos cardíacos (15 dias a 60 bat / min ) 288.200J para o fluxo de sangue e 1.152.800J em calor 1J

8. Princípio da conservação da energia 8 Em 1845 Joule estudou diferentes formas de converter trabalho em calor Fonte: http://www.thefamouspeople.com, 2016 Figura 11. James Prescott Joule Aquecimento elétrico, compressão de gases e movimento de moinhos mecânicos Para elevar em 1 o C a temperatura da água é necessário ~4,18J Em 1840 publicou um artigo sobre o efeito térmico da corrente elétrica: q = I 2 R Δ t

9. Primeira Lei da Termodinâmica 9 Mayer Joule Aprimoramento matemático Helmholtz Primeira Lei Conservação da energia Energia interna = Calor + Trabalho dU = dq + dw Δ U = Q + W

10. Sistema termodinâmico 10 Universo (limite de estudo) Sistema Vizinhança do sistema

11. 11 Sistema termodinâmico Sistema aberto Sistema Fechado Sistema Isolado Calor Matéria Calor Fronteira Diatérmica Fronteira Adiabática Δ U sempre será = 0

12. A energia interna 12 Figura 12. Erlemeyer com gasolina Fonte: http://quatrorodas.abril.com.br/, 2016 A energia interna pode descrita como resultado de duas energias principais Energia cinética Energia Potencial 2C 8 H 18(l) + 25O 2(g) --> 16CO 2(g) + 18H 2 O (g) + 10.942kJ Figura 13. Temperatura do motor com o carro em movimento Fonte: http://quatrorodas.abril.com.br/, 2016 Reação de combustão do octano – constituinte da gasolina

13. 13 É uma propriedade extensiva e uma função de estado A B 1 3 2 Δ U = U final – U inicial = U B - U A A energia interna 2C 8 H 18(l) + 25O 2(g) 16CO 2(g) + 18H 2 O (g) U A U B = ? = ? 10.942 kJ Combustão do octano Δ U = U final – U inicial = U B – U A = 10.942 kJ

14. 14 01 – Um motor produz 56KJ de trabalho e 14KJ de calor. Qual a variação de energia interna ? 02 – Após 5 pessoas sentarem em um carro realizou-se um trabalho de compressão dos amortecedores de 300 KJ e 50 KJ se dissipou na forma de calor. Qual a variação de energia interna do amortecedor? R: +250 KJ R: -70KJ Fonte: BoxOnline.blog.br, 2016 Figura 16. Amortecedor Resolvendo com o professor Resolvendo com o professor A energia interna

15. 15 A energia interna de um gás Teorema da equiparação da energia (Maxwell ) U = U potencial + U cinética Gás monoatômico: U = 3 RT 2 Gás de molécula linear: U = 5 RT 2 Gás de molécula não-linear: U = 3RT He 1 mv² x 2 1 mv² z 2 1 mv² y 2 U = U cinética U = 1 mv² x + 1 mv² z + 1 mv² y 2 2 2 U = 3 RT 2 R = 8,314 J/ K.mol T = Kelvin

16. 16 A energia interna Em uma reação química a massa se conserva ? Figura 17. Antoine Lavoisier Fonte: http://www.fisicaquimicaweb.com/, 2016 "Na Natureza nada se cria e nada se perde, tudo se transforma". 1785 | Lei de conservação das massas Figura 18. Albert Eintein Fonte: http://www.thefamouspeople.com, 2016 E = mC² 1905 | Equivalência massa-energia E = Energia (J) m = massa (Kg) C = Vel. Luz no vácuo (m/s) 2H (g)  H 2(g) Δ U = -431 kJ Massa inicial Massa final 2g  2g E = mC² m = _ E _ C² Δ m = ( m f – m i ) - Δ m = ____ -431.000 J_____ (299 792 458 m/s)² Δ m = 4,8.10 -12 Kg ---- 0,00000024% de perda de massa que se converte em energia

17. Calor e Trabalho 17 Calor Transporte de energia através do movimento caótico das partículas, átomos, moléculas, elétrons, etc. Trabalho Transporte de energia através do movimento ordenado das partículas, átomos, moléculas, elétrons, etc. contra um força contrária Fonte: http://www.netfisica.com/, 2016 Figura 13. Trabalho elétrico Figura 14. Efeito Joule – Geração de calor Fonte: http://www.netfisica.com/, 2016

18. Trabalho Expressão física do trabalho 18 dW = - FdX X dW = - FdX W = -F.X W = -F.(B-A) O sinal negativo informa que o sistema (o operário) realizou trabalho contra o meio externo (carrinho) Figura 15. Trabalho realizado por um operário Fonte: http://www.netfisica.com/, 2016 Em relação ao sistema

19. Trabalho 19 Trabalho de compressão/expansão de um pistão P = F/A F= P.A dW = -F.dX dW = -( P ex .A)dX dW = - P ex AdX dW = - P ex dV => W = - P ex . Δ V Δ U = Q + W => Δ U = Q – P ex . Δ V P: N/m² ( Pa ) e V: m³

20. Trabalho 20 Sistema em equilíbrio com suas vizinhanças Pressão interna = Pressão externa dW = - P ex dV = dW = - P int dV Variação de volume não infinitesimal Pressão externa constante W = - P ex Δ V Compressão/expansão Reversível e irreversível Pressão interna agora é uma fração da pressão total

21. Trabalho Reversível isotérmico 21 Trabalho de compressão de um pistão Trabalho de expansão de um pistão V f < V i V f > V i W = - P ex . Δ V W = - P ex . - Δ V Trabalho positivo, o meio externo realiza trabalho sobre o sistema Trabalho positivo, o sistema realiza trabalho ao meio externo Supondo Q = 0, Δ U = W, Δ U > 0 Supondo Q = 0, Δ U = W, Δ U < 0

22. 22 R: +250 KJ Fonte: BoxOnline .blog. br , 2016 Resolvendo com o professor Resolvendo com o professor Trabalho Reversível 03 - Uma reação química que ocorre em um vaso de sessão reta de área 100 cm² (0,01 m²) provido de um pistão. Em virtude da reação o pistão sobe 10 cm (0,1m) contra a pressão externa de 1 atm . Qual o trabalho feito pelo sistema? R: -101 J 1 atm = 101.000 Pa 04 – Supondo no exercício anterior que ocorra um resfriamento da vizinhança do sistema equivalente a 51 J. Qual a variação de energia interna do sistema? R: -50 J

23. Trabalho Irreversível 23 Trabalho de expansão na transformação de fase condensada para gasosa contra pressão atmosférica Figura 16. Explosão do TNT Fonte: http://greenstore4u.com/, 2016 Figura 16. Estrutura do Trinitro tolueno (TNT) Reação explosiva do TNT V final >> V inical Δ V = V f W = - P ex Δ V W = - P ext V f PV = nRT V = _ nRT_ P W = - P ext . _ nRT_ P W = - nRT n = número de mols gasosos R = Constante universal dos gases T = Temperatura do gás Fonte: http://greenstore4u.com/, 2016

24. Trabalho nulo 24 Figura 16. Um balão cheio de gás vagando no vácuo do espaço sideral Estoura e o gás se expande numa expansão livre Fonte: newevolutiondesigns.com, 2016 Δ V >> 0 Ausência de força oposta, P ext = 0, W = 0 Ausência de matéria para trocas térmicas, Q = 0 Δ U = 0

25. Trabalho Extra 25 dU = dQ + dW exp + dW ext Todo trabalho que o sistema realiza além do trabalho de expansão gasosa Exemplo Trabalho elétrico W elétrico = Φ dQ , onde Φ é o potencial elétrico (volts) e dQ a variação de carga (Coulomb) Resolvendo com o professor 05 – Qual a variação de energia interna de uma bateria de carro após produzir 400 kJ de trabalho elétrico e perder 50 kJ no efeito joule? R: -450kJ

26. Estudo termodinâmico do trabalho em um motor à gasolina 26 Entrada da mistura Ar + Gasolina (1) – Sistema aberto (2) Compressão da mistura – Sistema Fechado W > 0, Δ U > 0 (3) Centelha (vela)/ Expansão – Sistema fechado W < 0, Q <0, Δ U < 0 Abertura válvula de escape (4) – Sistema aberto Motor gasolina ciclo Otto Universo Sistema: Câmara de combustão Vizinhanças: O resto do motor

27. Quadro resumo 27 Conservação da Energia Calor Trabalho Transporte caótico da energia Transporte orientado da energia + = Variação da Energia interna Δ U = Q + W exp + W ext W = - P ext Δ V Energia cinética e potencial de um sistema Aberto, fechado ou adiabático

28. Próximos assuntos 28 Trocas térmicas; Variação da energia interna na ausência de trabalho; Calorimetria; Capacidade calorífica a volume constante; Entalpia; Capacidade calorífica a pressão constante;