A Primeira Lei da Termodinâmica – Aula de Física Enem, com Simulado

Relembre tudo sobre a Primeira Lei da Termodinâmica em mais esta aula preparatória para as questões de Física na prova do Enem. Estude com a gente e fique preparado! Depois da aula, tem simulado.

A Primeira Lei da Termodinâmica é componente clássico no estudo da física para o Enem e o Vestibular. Veja abaixo revisão gratuita. Em seguida responda ao Simulado.

Em qualquer processo termodinâmico, a energia pode ser transferida de um sistema para outro sob duas formas: sob a forma de calor Q ou sob a forma de trabalho τ. Ficou difícil ‘matar de primeira’?  Então é porque você precisa mesmo revisar a 1ª Lei da Termodinâmica.

Começando pelo começo: É importante relembrar que o calor Q é energia térmica transferida entre dois corpos ou entre dois sistemas devido a uma diferença de temperatura entre eles e que o trabalho τ é energia transferida entre sistemas pela ação de uma força.

Pelo princípio da conservação da energia, que estabelece que a energia não pode ser criada ou destruída, então a quantidade de calor Q transferida de um sistema para outro e o trabalho τ estão relacionados com a variação da energia interna ΔU do sistema.

A variação da energia interna ΔU de um sistema termodinâmico é, portanto, o resultado de um balanço energético entre o calor Q trocado e o trabalho τ envolvido na transformação.

Física Enem

Dessa maneira, em uma transformação, a variação da energia interna ΔU do sistema depende do calor Q trocado e do trabalho τ na transformação.

A primeira lei da termodinâmica estabelece que, em qualquer transformação:20637.png

A Primeira Lei da Termodinâmica

 Essa lei de conservação de energia pode ser assim enunciada: A variação da energia interna ΔU do sistema é igual à diferença entre o calor Q trocado pelo sistema e o trabalho τ envolvido na transformação.

Sempre que aplicarmos a Primeira Lei da Termodinâmica, devemos seguir a convenção de sinais adotada para os sinais do calor trocado, do trabalho realizado e da variação da energia interna do sistema gasoso:

• Calor trocado (Q)

Q > 0: quando a quantidade de calor é recebida pelo sistema

Q = 0: em uma transformação adiabática (o gás não recebe e nem perde calor)

Q < 0: quando a quantidade de calor é perdida pelo sistema

Trabalho realizado (τ)

τ > 0: quando o trabalho é realizado pelo sistema sobre o meio exterior (expansão do gás)

τ = 0: em uma transformação isocórica (o volume do gás não varia)

τ < 0: quando o trabalho é realizado pelo meio externo sobre o sistema (contração do gás)

Variação da energia interna (ΔU)

ΔU > 0: quando a temperatura do gás aumenta (aquecimento)

ΔU = 0: em uma transformação isotérmica (a temperatura não varia)

ΔU < 0: quando a temperatura do gás diminui (resfriamento)

Aula Gratuita sobre a Primeira Lei da Termodinâmica.

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Aplicação numérica da 1ª Lei da Termodinâmica

Para melhor entender como aplicar a Primeira Lei da Termodinâmica às transformações gasosas, vamos resolver um exemplo numérico.

(UFGO) Suponha que um sistema passe de um estado a outro trocando energia com a sua vizinhança. Dado: 1 cal = 4,18 J.

Calcule a variação de energia interna do sistema nos seguintes casos:

a) o sistema absorve 1000 cal de calor e realiza um trabalho de 2000 J;

b) o sistema absorve 1000 cal de calor e um trabalho de 2000 J é realizado sobre ele;

c) o sistema libera 1000 cal para a vizinhança e um trabalho de 2000 J é realizado sobre ele.

Em todas as três situações, o calor trocado pelo gás (recebido ou perdido) é de 1000 cal, e como 1 cal = 4,18 J, esta quantidade de calor equivale a 4180 J.

a) O gás absorve 1000 cal e, portanto, Q = + 4180 J

O gás realiza um trabalho de 2000 J e, portanto, τ = + 2000 J

Então: ΔU = Q – τ ⇒ ΔU = (+ 4180) – (+ 2000) ⇒ ΔU = + 2180 J (o gás esquenta).

b) O gás, mais uma vez, absorve 1000 cal e, portanto, Q = + 4180 J

Um trabalho de 2000 J é realizado sobre o gás. Portanto, o gás recebe trabalho do meio externo e τ = – 2000 J

Então: ΔU = Q – τ ⇒ ΔU = (+ 4180) – (– 2000) ⇒ ΔU = + 6180 J (o gás esquenta).

c) O gás libera 1000 cal e, portanto, perde calor. Assim: Q = – 4180 J

Mais uma vez, um trabalho de 2000 J é realizado sobre o gás. Portanto, o gás, mais uma vez, recebe trabalho do meio externo e τ = – 2000 J

Então: ΔU = Q – τ ⇒ ΔU = (– 4180) – (– 2000) ⇒ ΔU = – 2180 J (o gás esfria)

Em todas as situações sempre podemos usar um recurso gráfico para fazer o balanço energético e aplicar a Primeira Lei da Termodinâmica.

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Simulado Enem de Termodinâmica

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primeira lei da termodinâmica - Simulado

Agora, mais exercícios para você resolver e compartilhar

Questão 1

(PUC – RJ) Em um processo termodinâmico Γ, uma quantidade de n mols de um gás ideal é aquecida por uma quantidade de calor Q = 1000 J e realiza trabalho igual a W. Ao fim do processo termodinâmico Γ, o sistema retorna à temperatura inicial, ou seja, à energia inicial. Calcule o trabalho realizado.

a) 1000•n J.

b) 0 J.

c) 2000 J.

d) 1000 J.

e) 500 J.

Resposta: A

Questão 2

(UECE) Pode-se afirmar corretamente que a energia interna de um sistema constituído por um gás ideal

a) diminui em uma expansão isotérmica.

b) aumenta em uma expansão adiabática.

c) diminui em uma expansão livre.

d) aumenta em uma expansão isobárica.

Resposta: D

Questão 4

(Unesp – SP) Um recipiente contendo um certo gás tem seu volume aumentado graças ao trabalho de 1664 J realizado pelo gás. Neste processo, não houve troca de calor entre o gás, as paredes e o meio exterior. Considerando que o gás seja ideal, a energia de 1 mol desse gás e a sua temperatura obedecem à relação

U = 20,8•T, onde a temperatura T é medida em kelvins e a energia U em joules. Pode-se afirmar que nessa transformação a variação de temperatura de um mol desse gás, em kelvins, foi de

a) 50.

b) – 60.

c) – 80.

d) 100.

e) 90.

Resposta: C

Questão 5

(UEL – PR) O calor específico molar de um gás é de 5 cal/(mol•K). Supondo que ele sofra variações termodinâmicas isovolumétricas e que sua temperatura aumente de 20 °C para 50 °C, com um número de mols igual a 4, qual será a variação da energia interna do sistema?

a) 30 cal.

b) 150 cal.

c) 600 cal.

d) 1800 cal.

e) 6000 cal.

Resposta: C