Aula 8

Escola: E. E. “Alberto Andaló”

Professores: Caroline G. Dordan e Luiz Fernando B. Silva

Público alvo: 2º ano do Ensino Médio

Turma: A

Ano/Bimestre: 2014/2º bimestre

Aula nº: 03     Data: 14/04/2014

Horários de início e término da aula: 07h00 a 08h40min

• Conteúdo

1.    Sistema Termodinâmico.

2.    Primeira Lei da Termodinâmica.

3.    Processos Termodinâmicos

     a)    Processo Adiabático

     b)    Processo Isocórico

     c)    Processo Isobárico

     d)    Processo Isotérmico.

4.    Transformações de energia.

“Um sistema termodinâmico é um conjunto de objetos considerados como uma única unidade com potencial de troca de energia com o ambiente e denomina-se processo termodinâmico um processo no qual ocorrem variações no estado deste sistema, ou seja, transformação de energia.

A troca de energia de qualquer processo termodinâmico se dá sob forma de calor (Q), trabalho (W) ou ambos com suas vizinhanças. A seguir, as convenções de sinais para Q e W.

Figura 1 – [Sinais para o calor e o trabalho na termodinâmica] 

Imagem extraída de ‘YOUNG, H.D.; FREEDMAN, R.A. Física II: Termodinâmica e Ondas, p. 253’.

A relação entre essas trocas de calor e a energia interna de um determinado sistema denomina-se ‘primeira lei da termodinâmica’, também conhecida como ‘princípio da conservação de energia’, e é representada por ∆U = Q - W, em que ∆U é a variação de energia interna da unidade.

Figura 2 – [Processos Termodinâmicos]

Imagem extraída de ‘YOUNG, H.D.; FREEDMAN, R.A. Física II: Termodinâmica e Ondas, p. 257’.

Em geral, A variação da energia interna de um sistema durante qualquer processo termodinâmico depende somente dos estados inicial e final, e não do caminho que conduz um estado ao outro, mesmo que a quantidade de energia trocada por calor entre o sistema e a vizinhança dependa, cada uma delas, deste caminho. Tal afirmação somente pode ser confirmada experimentalmente.” (Adaptado de ‘YOUNG, H.D.; FREEDMAN, R.A. Física II: Termodinâmica e Ondas, p. 252 - 258’).

Figura 3 – [Energia Interna]

 Imagem extraída de ‘YOUNG, H.D.; FREEDMAN, R.A. Física II: Termodinâmica e Ondas, p. 258’.

Exemplificando,

Vamos calcular a variação da energia interna de uma amostra de um grama de água na transição de fase em que ela passa de líquido para vapor a temperatura constante de 100 ºC e a pressão constante de 1 atm.

Para fazer isso, consideraremos o vapor d’água como um gás ideal, de modo que o seu volume pode ser calculado pela equação de estado de Clapeyron. O número de mols da amostra é:

O volume da amostra na fase de vapor é: 

O volume da amostra na fase líquida,

é muito menor do que o volume da amostra na fase de vapor,

.

Desse modo, para calcular a quantidade de energia associada ao trabalho realizado pela amostra de água sobre a vizinhança no processo de expansão de V1 para V2, podemos desprezar V1. Daí: 

O calor latente de vaporização da água tem o valor 

.

Desse modo, a quantidade de energia associada ao calor fica:

.

A variação da energia interna de uma amostra de um grama de água na transição de fase em que ela passa de líquido para vapor a temperatura constante de 100 ºC e a pressão constante de 1 atm é:

.

(Texto extraído de Grupo de Ensino de Física da Universidade Federal de Santa Maria. Primeira Lei da Termodinâmica). 

“Dadas situações práticas, existem 4 (quatro) tipos específicos de processos termodinâmicos bastante freqüentes, adiabáticos, isocóricos, isobáricos e isotérmicos.

·        Processo adiabático: não há transferência de energia, ou seja, Q = 0. É possível quando o sistema é envolto por um material isolante ou realizando o processo muito rapidamente não havendo tempo suficiente para uma troca de calor considerável.

Expressando matematicamente:

 ∆U = - W.

      Quando o sistema:

1.    Expande, W é positivo e ∆U é negativa, ou seja, a energia interna diminui, geralmente diminuindo a temperatura;

2.  Comprime, W é negativo e ∆U é positiva, ou seja, a energia interna aumenta, geralmente aumentando a temperatura.

Um exemplo de processo adiabático é quando a rolha de uma garrafa de champanhe estoura, os gases pressurizados dentro da garrafa se expandem com tanta rapidez para fora do recipiente que não há tempo para troca de calor com o ambiente e, a medida que realizam trabalho W, a energia interna e temperatura caem condensando o vapor d’água e formando uma pequena nuvem.

Figura 4 – [Processo Adiabático]

Imagem extraída de: <google.com>

·        Processo isocórico: o volume do sistema permanece constante, ou seja, W = P.∆V = 0. 

Daí, ∆U = Q.

      Quando o sistema:

1.  Recebe energia, Q e ∆U são positivas, ou seja, a energia interna aumenta, geralmente aumentando a temperatura;

2.    Doa energia, Q e ∆U são negativas, ou seja, a energia interna diminui, geralmente diminuindo a temperatura.

O experimento do vídeo 1 apresentado na metodologia é um exemplo de processo isocórico, em que a bexiga tem o volume constante, porém sua temperatura elevada.

·        Processo isobárico: a pressão é constante, ou seja, W = P(V2 - V1). Em geral, nenhuma das três grandezas W, Q e ∆U são nulas.

Em geral, qualquer processo ao cozinhar é isobárico, como no exemplo acima, em que analisamos a ebulição da água à pressão constante. Também, no experimento do vídeo 2 da metodologia, em que é visível o movimento do êmbolo do frasco (aumento do volume) conforme recebe calor.

·      Processo isotérmico: a temperatura permanece constante. É necessário que a transferência de calor seja lenta o suficiente para que o sistema continue em equilíbrio térmico. Em geral, nenhuma das grandezas W, Q e ∆U são nulas.

Em especial, são característicos de sistemas com gases ideais, ∆U = 0, ou seja, toda energia fornecida em forma de calor Q é liberada em forma de trabalho W.” (Adaptado de YOUNG, H.D.; FREEDMAN, R.A. Física II: Termodinâmica e Ondas, p. 251 - 262.).

Figura 5 – [Turma da Mônica – Transformação de Energia]

Imagem extraída de: <google.com>

• Objetivos

Introduzir o conceito da Primeira Lei da Termodinâmica e suas aplicações, a fim de mostrar sua importância no cotidiano como, por exemplo, no funcionamento de máquinas térmicas e refrigeradores.

Ao final da aula, espera-se que o aluno saiba:

1. A relação entre o fenômeno da conservação e transformação de energia.
2. Aplicar a primeira lei da termodinâmica para relacionar transferência de calor, trabalho realizado e variação da energia interna, ou seja, saiba trabalhar com a fórmula ∆U = Q - W.
3. Distinguir entre processos adiabáticos, isocóricos, isobáricos e isotérmicos, ou seja, o que os caracteriza.

• Pré-requisitos

O aluno deve ter domínio dos conceitos de trabalho, pressão, temperatura, calor, energia interna e gás ideal.

• Metodologia

A aula será ministrada com o auxílio de computadores, giz, lousa e projetor, com início na sala de aula e, em seguida, no laboratório de informática.

Iniciaremos com o vídeo primeira lei da termodinâmica (1min05seg) que apresenta o experimento da bexiga e o fogo. 

primeira lei da termodinâmica

De fato, com a bexiga cheia de água, quando em aquecimento constante (no caso do vídeo, colocando-a sobre um fósforo aceso), o plástico não se rompe. Isto porque o calor liberado pela chama é absorvido pela água ocasionando o aumento da temperatura do sistema.

Com base neste experimento, apresentaremos oralmente, com o auxílio de giz e lousa, o conceito da 1ª lei da termodinâmica ou, como mais conhecida, a lei da conservação de energia.

Após a introdução conceitual, daremos alguns exemplos como o carro (Figura 6) e o corpo humano (Figura 7).

Figura 6 – [Conservação e Transformação de Energia]

Imagem extraída de: <http://www.pixton.com/br/comic/p8l6u6zn;  http://www.pixton.com/br/comic/b8kj2ife;  http://www.pixton.com/br/comic/7v426upv>.

Figura 7 – [Transformações de Energia no Corpo Humano]

Imagem extraída de ‘YOUNG, H.D.; FREEDMAN, R.A. Física II: Termodinâmica e Ondas, p. 258’

           

Seguiremos com vídeo V 17 TERMODINÂMICA - experimento transformação isobárica (1min48s) cujo experimento é um processo de transformação isobárica e, com o auxílio do quadro e giz, iniciaremos o conceito de tipos de processos termodinâmicos (Figura 8), suas particularidades e exemplos. 

V 17 TERMODINÂMICA - experimento transformação isobárica

Figura 8 – [Processos termodinâmicos]

Imagem extraída de ‘YOUNG, H.D.; FREEDMAN, R.A. Física II: Termodinâmica e Ondas, p. 263’

Neste momento, os alunos serão encaminhados à sala de informática para a realização dos seguintes exercícios:

1-    A variação de energia interna de um sistema durante qualquer processo termodinâmico depende somente do estado inicial e do estado final do sistema, e não do caminho que conduz um estado ao outro. (YOUNG, H.D.; FREEDMAN, R.A. Física II: Termodinâmica e Ondas, p. 258)

Com base na afirmação acima e tendo que 1 cal = 4,19 J aproximadamente, responda a questão que segue.

Uma pessoa deseja comer um sundae com calda quente com um valor alimentício de 900 calorias e a seguir subir vários lances de escada para transformar em energia a sobremesa ingerida. Até que altura a pessoa terá que subir? Suponha que sua massa seja 60 Kg. (10 min)

2-  Com o auxílio do aplicativo “Formas de energia e transformações de energia – aba transformações de energia”, descreva detalhadamente (todas as etapas de transformação) 02 (dois) processos em que energia mecânica é transformada em luz, caracterizando o caminho da energia, isto é, explicite os sinais do calor (Q) e trabalho (W) em positivo ou negativo. (10min)

Observação:

Este aplicativo apresenta 02 (duas) abas com finalidades de:

Aba 01. Formas de energia - Mostrar como energia fluirá quando diferentes objetos são aquecidos ou resfriados.

Aba 02. Transformações de energia - Trabalhar os diferentes tipos e suas transformações em outras formas de energia com exemplos da vida cotidiana; Exemplificar a conservação de energia em sistemas reais.

  

3-    Caracterize os processos termodinâmicos abaixo como isotérmicos, adiabáticos, isocóricos ou isobáricos. Justifique sua resposta.

a)    Esquentar uma xícara de água no micro-ondas.

b)    Aquecer um gás em um recipiente rígido.

c)    Aquecimento de uma panela de pressão sem o escape de vapor (“chocalho” fechado).

d)    A compressão em um cilindro de um motor de combustão interna. (10 min)

4-   Use sua criatividade para elaborar uma história em quadrinhos a respeito da 1ª lei da termodinâmica utilizando o site “Witty Comics – aba make a comic”. (20min)

Observação:
Esta questão tem como finalidade verificar o grau de criatividade do aluno em elaborar uma história em quadrinhos relacionando-a com o conceito trabalhado.

As atividades deverão ser salvas utilizando Word e Paint (Print Screen) na pasta ‘Física’ de cada computador e nomeadas da seguinte forma: ‘Atividade 1-Nome do aluno’, ‘Atividade 2-Nome do aluno’, ‘Atividade 3-Nome do aluno’ e ‘Título do quadrinho-Nome do aluno’, além disso, enviadas por email para o endereço ‘turma2a@gmail.com’. (10min)

o   Recursos:

Giz, lousa, projetor e computador.

o   Avaliação

A avaliação será feita por meio das atividades descritas na metodologia, a fim de analisar a interpretação do aluno mediante situações propostas e compreensão do conteúdo através do(a):

1-    Uso da fórmula  ∆U = Q - W.

2-    Descrição das transformações de energia.

3-    Caracterização dos processos e suas justificativas.

4-    Grau de criatividade e relação com o conceito trabalhado.

o   Variável didática

A discussão poderá estender-se, a fim de sanar dúvidas, ocasionando falta de tempo para trabalhar todo o conteúdo proposto. Se isto ocorrer, o restante será protelado para a próxima aula da disciplina.

o   Fontes

Grupo de Ensino de Física da Universidade Federal de Santa Maria. Primeira Lei da Termodinâmica. Disponível em: <http://coral.ufsm.br/gef/Calor/calor21.pdf>. Acessado em: 07 ago. 2013.

Secretaria da Educação do Estado de São Paulo. Proposta Curricular do Estado de São Paulo, Física, Ensino Médio. Disponível em: <http://www.rededosaber.sp.gov.br/portais/Portals/18/arquivos/Prop_FIS_COMP_red_md_20_03.pdf>. Acessado em: 07 ago. 2013.

YOUNG, H. D. A Primeira Lei da Termodinâmica. In: YOUNG, H. D. Física II: Termodinâmica e Ondas. 12. ed. São Paulo: Addison Wesley, 2010, p. 251-262.

o   Aplicativos

Witty Comics. Disponível em: <http://www.wittycomics.com/make-comic.php?>. Acessado em 07 ago. 2013.

Formas de energia e transformações de energia. Download disponível em: <http://phet.colorado.edu/pt/simulation/energy-forms-and-changes>. Acessado em 07: ago. 2013.

o   Vídeos

Primeira Lei da Termodinâmica. Disponível em: <http://www.youtube.com/watch?v=IAwnafWPxlA>. Acessado em 07 ago. 2013.

V 17 TERMODINÂMICA-experimento transformação isobárica. Disponível em:

<http://www.youtube.com/watch?v=2FgoWzZ7sMI>. Acessado em 07 ago. 2013.

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