Primeira Lei Da Termodinâmica: Exercícios

Reza July 12, 2021
1ª Lei da Termodinâmica Exercício resolvido HD YouTube

A Primeira Lei da Termodinâmica é um princípio fundamental da física que diz que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas transformada de uma forma para outra. Essa lei é essencial para entender muitos processos em física, química e engenharia, especialmente em relação à transferência de energia térmica.

O que é a Primeira Lei da Termodinâmica?

A Primeira Lei da Termodinâmica é uma lei da física que afirma que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas transformada de uma forma para outra. Essa lei é essencial para entender muitos processos em física, química e engenharia, especialmente em relação à transferência de energia térmica. A lei é frequentemente resumida como “a energia total de um sistema isolado é constante”, o que significa que a energia não pode ser perdida ou ganha em um sistema fechado.

Exercícios de Primeira Lei da Termodinâmica

Existem muitos exercícios que envolvem a aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica. Aqui estão alguns exemplos:

Exercício 1: Trabalho realizado em um gás

Suponha que um cilindro contenha 2 litros de um gás a uma pressão de 1 atm e uma temperatura de 25°C. O pistão do cilindro é empurrado para dentro até que a pressão do gás atinja 2 atm. A temperatura do gás permanece constante durante esse processo. Qual é o trabalho realizado pelo gás?

  1. Encontre o volume inicial do gás: V1 = 2 L.
  2. Encontre a pressão inicial do gás: P1 = 1 atm.
  3. Encontre a pressão final do gás: P2 = 2 atm.
  4. Use a equação de trabalho: W = PΔV, onde ΔV é a mudança no volume do gás durante o processo. Como a temperatura permanece constante, ΔV = V2 – V1 = V1 (P1/P2 – 1) = 2 L (1/2 – 1) = -1 L.
  5. Substitua os valores na equação de trabalho: W = (2 atm) (-1 L) = -2 atm L.

O trabalho realizado pelo gás é de -2 atm L.

Exercício 2: Mudança de energia interna de um gás

Suponha que um gás ocupe um volume constante de 5 litros a uma pressão de 2 atm e uma temperatura de 27°C. O gás é aquecido até que sua pressão atinja 4 atm. Qual é a mudança na energia interna do gás?

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  1. Encontre o volume inicial do gás: V1 = 5 L.
  2. Encontre a pressão inicial do gás: P1 = 2 atm.
  3. Encontre a pressão final do gás: P2 = 4 atm.
  4. Encontre a mudança na energia interna usando a equação ΔU = Q – W, onde Q é a quantidade de calor adicionada ao gás e W é o trabalho realizado pelo gás. Como o volume é constante, W = 0.
  5. Use a equação do gás ideal PV = nRT para encontrar a quantidade de gás no cilindro: n = PV/RT = (2 atm) (5 L) / (0,0821 L atm/mol K) (300 K) = 0,40 mol.
  6. Encontre a quantidade de calor adicionada ao gás usando a equação Q = nCΔT, onde C é a capacidade calorífica molar do gás. Para um gás ideal monoatômico, C = (3/2)R = 12,5 J/mol K. ΔT = T2 – T1 = (300 K) (4/2) – (300 K) (2/2) = 300 K.
  7. Substitua os valores na equação de mudança na energia interna: ΔU = Q – W = (0,40 mol) (12,5 J/mol K) (300 K) – 0 J = 1500 J.

A mudança na energia interna do gás é de 1500 J.

Exercício 3: Calor adicionado a um gás

Suponha que um gás ocupe um volume constante de 2 litros a uma pressão de 1 atm e uma temperatura de 20°C. O gás é aquecido até que sua temperatura atinja 40°C. Qual é a quantidade de calor adicionada ao gás?

  1. Encontre o volume inicial do gás: V1 = 2 L.
  2. Encontre a pressão inicial do gás: P1 = 1 atm.
  3. Encontre a temperatura inicial do gás em kelvin: T1 = 20°C + 273,15 = 293,15 K.
  4. Encontre a temperatura final do gás em kelvin: T2 = 40°C + 273,15 = 313,15 K.
  5. Encontre a quantidade de calor adicionada ao gás usando a equação Q = nCΔT, onde C é a capacidade calorífica molar do gás. Para um gás ideal monoatômico, C = (3/2)R = 12,5 J/mol K. n = PV/RT = (1 atm) (2 L) / (0,0821 L atm/mol K) (293,15 K) = 0,08 mol. ΔT = T2 – T1 = 313,15 K – 293,15 K = 20 K.
  6. Substitua os valores na equação de calor adicionado: Q = nCΔT = (0,08 mol) (12,5 J/mol K) (20 K) = 20 J.

A quantidade de calor adicionada ao gás é de 20 J.

Conclusão

A Primeira Lei da Termodinâmica é uma lei fundamental da física que afirma que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas transformada de uma forma para outra. Essa lei é essencial para entender muitos processos em física, química e engenharia, especialmente em relação à transferência de energia térmica. Os exercícios de Primeira Lei da Termodinâmica podem ajudar a consolidar a compreensão dessa lei fundamental e sua aplicação em diferentes situações.

FAQs

1. O que é a Termodinâmica?

A Termodinâmica é o estudo da energia e suas transformações em relação à temperatura e pressão. Ela é uma das principais áreas da física e é usada para entender muitos processos em química, engenharia e outras áreas relacionadas.

2. O que é a energia interna?

A energia interna de um sistema é a soma de todas as energias cinéticas e potenciais das partículas que compõem o sistema. Ela inclui a energia térmica, a energia química e outras formas de energia armazenadas em um sistema.

3. O que é a capacidade calorífica molar?

A capacidade calorífica molar é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um mol de uma substância em 1 kelvin. Ela é usada para calcular a quantidade de calor adicionada ou removida de um sistema durante um processo termodinâmico.

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Reza Herlambang

Eu sou um escritor profissional na área de educação há mais de 5 anos, escrevendo artigos sobre educação e ensino para crianças na escola.

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