Saiba tudo sobre as Transformações Cíclicas dos gases em mais uma aula de revisão para a prova de Física Enem
A transformação cíclica de um gás
Uma transformação gasosa é chamada de transformação cíclica ou ciclo quando o estado final do gás coincide com o estado inicial, isto é, no estado final os valores de pressão, temperatura e volume do gás coincidem com os valores iniciais.
A energia interna do gás varia durante as transformações, pois a temperatura do gás está continuamente variando. Entretanto, como o estado final coincide com o estado inicial, a energia interna final é igual à energia interna inicial e, consequentemente, a variação da energia interna durante a realização de um ciclo completo é sempre nula.
Portanto, durante qualquer ciclo: ΔU = 0 .
A figura abaixo mostra uma transformação cíclica sofrida por uma determinada massa de gás ideal que passa de um estado inicial A para um estado intermediário B através do processo 1 e, em seguida, é levado de volta ao estado inicial A pelo processo 2. Observe que, no processo 1, a temperatura do gás aumenta e, no processo 2, a temperatura diminui.
Trabalho na transformação cíclica
Durante a realização de um ciclo, o trabalho τ realizado pelo gás corresponde à soma algébrica dos trabalhos envolvidos em todas as etapas. No exemplo anterior, teríamos: τ = τ1 + τ2.
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No diagrama de Clapeyron, podemos calcular o módulo do trabalho em cada etapa do ciclo pela área sob a curva. Como na expansão do gás o trabalho é positivo e na contração é negativo, podemos concluir que, na transformação cíclica, o módulo do trabalho é, numericamente, igual à área interna do ciclo, como mostrado na figura a seguir. Logo: |τ| = “área” do ciclo
Observe na figura anterior que o trabalho realizado pelo gás no processo 1 é maior que o trabalho (em módulo) recebido pelo gás no processo 2.
Assim, o saldo líquido de trabalho no ciclo da figura é positivo e há realização de trabalho pelo gás (ciclo de sentido horário). Portanto, em um ciclo de sentido horário ocorre conversão de calor em trabalho.
Isso acontece nas máquinas térmicas, das quais um motor de automóvel é o melhor exemplo.
Se o sentido das transformações for invertido, o saldo líquido de trabalho será negativo e haverá recebimento de trabalho pelo gás (ciclo de sentido anti-horário). Então, em um ciclo de sentido anti-horário ocorrerá conversão de trabalho em calor. Isso acontece, por exemplo, em uma geladeira, que é uma máquina frigorífica.
A primeira lei da termodinâmica nas transformações cíclicas
Já sabemos que, pela primeira lei da termodinâmica: ΔU = Q – τ
Mas, em uma transformação cíclica a variação da energia interna é nula, isto é: ΔU = 0.
Então, de acordo com a primeira lei da termodinâmica, em uma transformação cíclica, devemos ter:
0 = Q – τ ⇒ τ = Q
Portanto, em uma transformação cíclica existe uma equivalência entre o calor Q trocado pelo gás e o trabalho τ, como mostrado na figura abaixo.
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Portanto, nas máquinas térmicas, aquelas que realizam trabalho, o calor é convertido em trabalho e, nas máquinas frigoríficas (ou bombas de calor), aquelas que recebem trabalho, o trabalho é convertido em calor.
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Desafios
Questão 1
(UECE) No diagrama P-V a seguir, quatro processos termodinâmicos cíclicos executados por um gás, com seus respectivos estados iniciais, estão representados. O processo no qual o trabalho resultante, realizado pelo gás, é menor é o:
a) I.
b) J.
c) K.
d) L.
Questão 2
(UFRGS) O gráfico representa o ciclo de uma máquina térmica ideal.
O trabalho total realizado em um ciclo é:
a) 0 J.
b) 3,0 J.
c) 4,5 J.
d) 6,0 J.
e) 9,0 J.
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Questão 3
(PUC–PR) Um gás ideal, confinado numa câmara, é submetido ao ciclo termodinâmico ABCA indicado na figura abaixo. A curva BC é uma isoterma.
Verifique se as proposições a seguir são corretas ou incorretas.
I. Na etapa BC, calor flui do gás para a vizinhança;
II. Na etapa BC, a energia interna do gás aumenta;
III. Na etapa AB, a energia interna do gás fica constante;
IV. Na etapa AB, o gás recebe calor e realiza trabalho sobre a vizinhança;
V. Num ciclo ABCA, a energia interna do gás aumenta e este aumento é igual à área delimitada pelo ciclo;
Marque a alternativa que contém as proposições corretas.
a) I e IV, apenas.
b) Apenas V, apenas.
c) II e III, apenas.
d) II e IV, apenas.
e) I, IV e V.
Questão 4
(PUC – MG) Certa massa de gás ideal é submetida a uma série de transformações mostradas na figura abaixo
As afirmativas seguintes foram feitas em relação a essas transformações:
I – O trabalho total trocado com o meio externo pode ser obtido pela área do triângulo ABC.
II – B é o ponto onde a energia interna do gás é máxima.
III – A transformação CA corresponde a uma expansão isovolumétrica.
Assinale:
a) se somente a afirmativa I está correta.
b) se somente a afirmativa II está correta.
c) se somente as afirmativas I e II estão corretas.
d) se somente as afirmativas II e III estão corretas.
e) se as afirmativas I, II e III estão corretas.
Questão 5
(UPE) No diagrama PV, a seguir, está representada uma série de processos termodinâmicos. No processo ab, 250 J de calor são fornecidos ao sistema, e, no processo bd, 600 J de calor são fornecidos ao sistema.
Analise as afirmações que se seguem.
I. O trabalho realizado no processo ab é nulo.
II. A variação de energia interna no processo ab é 320 J.
III. A variação de energia interna no processo abd é 610 J.
IV. A variação de energia interna no processo acd é 560 J.
É CORRETO afirmar que apenas as(a) afirmações(ão)
a) II e IV estão corretas.
b) IV está correta.
c) I e III estão corretas.
d) III e IV estão corretas.
e) II e III estão corretas.
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