Fala, guerreiros! Segue um resumo especial desse assunto tão importante de Física 2! Vamos, selva!
1. INTRODUÇÃO
A Termodinâmica é uma área de extrema importância no contexto tecnológico. O estudo e aplicação dos conceitos permitiram o desenvolvimento das máquinas térmicas, que convertem energia térmica (na queima de um combustível) em energia mecânica (movimentação de peças).
A substituição do trabalho manual pelas máquinas constituiu um movimento histórico conhecido como Revolução Industrial, iniciada na Inglaterra no século XVIII. As máquinas térmicas funcionam através das propriedades e características dos gases, que serão vistas a seguir.
2. VARIAÇÃO DA ENERGIA INTERNA DE UM GÁS (ΔU)
Um gás é formado por pequenas partículas que estão em constante movimento e a energia cinética está associada a velocidade (v) de uma partícula de massa (m) de acordo com a expressão. A expressão abaixo calcula a variação da energia interna de um gás monoatômico (gás hélio – He, por exemplo).
R é mesma constante universal dos gases perfeitos e a unidade no Sistema Internacional é o Joule (J).
Não é comum calcular a energia interna de um gás em uma determinada temperatura. É mais importante calcular o quanto a energia interna de um gás muda, ou seja, a variação da energia interna (ΔU).
Portanto, em um processo termodinâmico qualquer, se a temperatura inicial e final do gás for a mesma (mesmo que a temperatura tenha variado durante o processo), a variação da energia interna do gás é nula.
T = 0 –> U = 0
3. TRABALHO REALIZADO POR UM GÁS (W)
Um gás precisa movimentar êmbolos e eixos dentro de uma máquina térmica (o motor de um carro está acoplado a eixos que movimentam a roda).
Para que esse movimento ocorra, é necessário que o gás gaste energia no processo. Essa energia gasta pelo gás para empurrar um pistão e expandir é conhecida como o trabalho realizado pelo gás.
Observe a ilustração abaixo onde um gás ideal está confinado em um recipiente que possui um êmbolo móvel.
As partículas em movimento do gás produzam uma força ao se chocarem com o êmbolo. O gás expande e ocupa um volume maior, como mostra a ilustração abaixo. A variação do volume do gás é dado por ΔV = V – V0.
É possível provar que o trabalho realizado pelo gás é calculado pela expressão abaixo.
A unidade no Sistema Internacional é Joule (J).
Essa expressão somente é válida quando a pressão for constante (processo isobárico). Quando a pressão não for constante, o cálculo do trabalho se dá pela área de um gráfico p x V.
Existem duas formas onde o trabalho de um gás existe:
- O gás empurra o êmbolo “para fora” e expande: o gás gasta energia para realizar essa tarefa e o trabalho realizado pelo gás é positivo (W > 0).
- O meio exterior empurra o êmbolo “para dentro” e o gás é comprimido: o gás recebe energia na forma de trabalho do exterior e o trabalho realizado pelo gás é negativo (W < 0).
Em muitos exercícios, a palavra gás é substituída por “sistema”. Exemplo: “um sistema é comprimido…”
Nos sistemas onde o volume final do gás no estado final é o mesmo que o volume inicial, ou seja, não há variação de volume, o trabalho realizado é nulo.
V = 0 –> W = 0
4. TROCA DE CALOR DE UM GÁS (Q)
O calor é a transferência de energia térmica de um corpo mais quente para um corpo mais frio. Portanto, um gás troca calor com o meio externo. O calor é positivo (Q > 0) quando o gás recebe energia térmica do exterior e o calor é negativo (Q < 0) quando o gás libera energia térmica para o exterior.
A unidade no Sistema Internacional também é o Joule.
5. A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
A primeira lei da Termodinâmica é uma lei de conservação de energia.
5.1. Regra dos sinais
Nos exercícios de Termodinâmica é fundamental interpretar o texto da questão para determinar os sinais das três grandezas envolvidas: energia interna, trabalho e calor. As três podem assumir valores positivos e negativos dependendo do que ocorre com o gás durante o processo de transmissão.
- CALOR (Q)
Q > 0 – quando o gás recebe calor do meio externo.
Q < 0 – quando o gás perde calor para o meio externo.
- TRABALHO (W)
W > 0 – quando o gás empurra o pistão para fora, aumentando o seu volume.
W < 0 – quando o sistema empurra o pistão para dentro, diminuindo o volume ocupado pelo gás.
- VARIAÇÃO DA ENERGIA INTERNA (ΔU)
ΔU > 0 – a temperatura do gás e a energia interna do gás aumentam.
ΔU < 0 – a temperatura do gás e a energia interna do gás diminuem.