5 aula - Máquinas Térmicas

Número de aulas: 4

Contato e entrega de atividades: via email paulacelestino@prof.educacao.sp.gov.br e sempre uma cópia no caderno.

Você pode tirar foto do que foi feito no caderno, pode enviar no Word ou no corpo do email.

Prazo para entrega: 24/06/2020

1º Lei da Termodinâmica

Pontos Principais: Energia interna, Calor e Trabalho.

Introdução

Muitas usinas e motores operam transformando energia térmica em trabalho. Isso porque um gás aquecido pode realizar trabalho em turbinas mecânicas ou pistões, fazendo com que eles se movam.

A primeira lei da termodinâmica aplica o princípio de conservação de energia a sistemas onde a transferência de energia para dentro e para fora do sistema se dá pela transferência de calor e pela realização de trabalho.

A primeira lei da termodinâmica diz que a variação na energia interna de um sistema (ΔU) é igual à transferência de calor resultante para dentro e para fora do sistema (Q), mais o trabalho resultante realizado no sistema (W). Na forma de equação, a primeira lei da termodinâmica é,

ΔU = Q + W.

Ela simplesmente diz que você pode aumentar a energia interna de um sistema aquecendo-o ou realizando trabalho nele.

O que significa cada um desses termos?

Nada exemplifica a primeira lei da termodinâmica tão bem quando um gás preso em um recipiente com um pistão móvel encaixado firmemente (como mostrado na Figura 1).

Vamos considerar que o pistão possa se mover para cima e para baixo, comprimindo o gás ou permitindo que ele se expanda (mas o gás não pode sair do recipiente).

Figura 1: Esquema de um pistão de gás.

As moléculas de gás presas no recipiente são o sistema. Atente que elas se movimentam, possuindo energia cinética e temperatura maior do que o zero absoluto ou 0K.

A energia interna U deste sistema pode ser pensada como a soma de todas as energias cinéticas de todas as moléculas de gás presas dentro do recipiente. Assim, se a temperatura T do gás aumenta, as moléculas aumentam sua velocidade e a energia interna U do gás também aumenta (o que significa que ΔU é positivo).

Da mesma forma, se a temperatura T do gás diminui, as moléculas diminuem sua velocidade, e a energia interna U do gás também diminui (o que significa que ΔU é negativo).

É realmente importante lembrar que a energia interna U e a temperatura T irão aumentar quando a velocidade das moléculas de gás aumentar, já que elas são, na verdade, duas maneiras de medir a mesma coisa: quanta energia há em um sistema.

Como a temperatura e a energia interna são diretamente proporcionais, temos que, se a energia interna dobrar de valor, a temperatura também dobrará.

Da mesma forma, se a temperatura não alterar seu valor, a energia interna também não irá variar.

A energia interna U deste sistema e sua temperatura podem ser aumentadas pela transferência de calor Q para o gás. Para fazer isso basta colocar o recipiente sobre uma chama ou submergi-lo em água fervendo.

A alta temperatura do ambiente externo, em relação às paredes e interior do recipiente, fará com que o calor flua para o interior e aqueça o gás, fazendo com que suas moléculas se movam mais rápido. Quando o calor é absorvido e aquece o gás, Q é um número positivo.

Por outro lado, podemos diminuir a energia interna do gás transferindo calor para fora dele. Isso pode ser feito colocando o recipiente em um banho de gelo. Se o calor deixar o gás, Q será um número negativo.

Essa convenção de sinais para o calor Q está representada na Figura 2.

Figura 2: Convenção de sinal para calor recebido e doado pelo sistema.

Como o pistão pode se mover, ele pode realizar trabalho no gás, movendo-se para baixo e comprimindo o gás.

A colisão do pistão que se move para baixo com as moléculas de gás faz com que as moléculas se movam mais rápido, aumentando a energia interna total do sistema. Se o gás for comprimido, o trabalho realizado no gás W será um número positivo.

Por outro lado, se o gás se expande e empurra o pistão para cima, um trabalho é realizado pelo gás. A colisão das moléculas de gás com o pistão que recua faz com que as moléculas se movam mais devagar, diminuindo a energia interna do gás. Se o gás se expande, o trabalho realizado no gás W é um número negativo.

Essa convenção de sinais para o trabalho W está representada na Figura 3.

Figura 3: Convenção de sinal para o trabalho realizado pelo sistema e sobre o sistema.

Na tabela abaixo resumimos as convenções de sinais para as três grandezas da 1ª Lei da Termodinâmica:

ΔU (variação na energia interna)	Q (calor)	W (trabalho realizado no gás)
+ se T aumenta	+ se entrar calor no gás	+ se o gás for comprimido
− se T diminui	− se o calor deixar o gás	− se o gás se expandir
Zero se T for constante	Zero se não houver troca de calor	Zero se o volume for constante

Material de apoio:

Máquinas térmicas, funcionamento e usos | Parte I

Nesta vídeo aula explica o funcionamento das máquinas térmicas (convertendo calor em trabalho) e apresenta como se deu seu aprimoramento ao longo do tempo.

Máquinas térmicas, funcionamento e usos | Parte II

Esta vídeo aula é uma continuação do conteúdo em que aborda as máquinas térmicas (convertendo calor em trabalho) e apresenta como se deu seu aprimoramento ao longo do tempo.

Fluxo de energia na natureza

Saiba mais sobre a produção primária e sobre o processo de transferência de energia entre os níveis tróficos da natureza.

Saiba mais sobre a produção primária e sobre o processo de transferência de energia entre os níveis tróficos da natureza.

Pontos Principais:

• Produtores primários (geralmente plantas e outros fotossintetizadores) são a porta de entrada da energia nas teias alimentares.
• Produtividade é a taxa na qual a energia é adicionada aos corpos de um grupo de organismos (como os produtores primários) na forma de biomassa.
• Produtividade bruta é a taxa global de captura de energia. A Produtividade líquida é inferior, ajustada para a energia utilizada pelos organismos na respiração/metabolismo.
• A transferência de energia entre os níveis tróficos é ineficiente. Apenas 10% da produtividade líquida de um nível termina como produtividade líquida no próximo nível.

Introdução

Você já se perguntou o que aconteceria se todas as plantas do planeta Terra desaparecessem?

Bem, nosso belo planeta definitivamente pareceria estéril e triste. Também perderíamos nossa principal fonte de oxigênio. O dióxido de carbono já não seria retirado do ar, e como ele prende calor, a Terra poderia aquecer mais rápido. E, talvez o que seria nosso maior problema, quase todos os seres vivos na Terra ficariam sem comida e morreriam.

Por que seria este o caso? Em quase todos os ecossistemas, fotossintetizadores são a única "porta de entrada" para que a energia flua para as teias alimentares, as redes de organismos que comem uns aos outros nas relações produtores e consumidores.

Se os fotossintetizadores fossem removidos, o fluxo de energia seria interrompido, e os outros organismos ficariam sem comida. Desta forma, os fotossintetizadores estabelecem a base para todos os ecossistemas que recebem luz.

Produtores são a porta de entrada da energia

Plantas, algas e bactérias fotossintetizantes atuam como produtores. Produtores são autótrofos ou organismos que se "auto-alimentam", que fazem suas próprias moléculas orgânicas a partir do dióxido de carbono.

Espécies fotoautótrofos, como as plantas, utilizam a energia da luz para construir açúcares a partir do dióxido de carbono. A energia é armazenada nas ligações químicas das moléculas, que são utilizadas como combustível e material de construção pela planta.

A energia armazenada em moléculas orgânicas pode ser passada para outros organismos no ecossistema quando esses organismos comem plantas (ou comem outros organismos que anteriormente tenham comido plantas). Desta forma, todos os consumidores, ou heterótrofos (organismos que se "alimentam de outros") de um ecossistema, incluindo herbívoros, carnívoros e decompositores, dependem dos produtores do ecossistema para energia.

Se as plantas ou outros produtores de um ecossistema fossem removidos, não haveria maneira de a energia entrar na teia alimentar, e a comunidade ecológica entraria em colapso. Isso porque a energia não se recicla: em vez disso, ela é dissipada como calor enquanto se move pelo ecossistema e deve ser constantemente reposta.

Figura 1: Fluxo de energia na natureza.

Na medida em que os produtores sustentam todos os outros organismos em um ecossistema, a abundância de produtores, a biomassa e a taxa de captura de energia são fundamentais para a compreensão de como a energia se move através de um ecossistema e que tipos e quantidades de outros organismos ela pode sustentar.

Produtividade primária

Em ecologia, produtividade é a taxa pela qual a energia é adicionada aos corpos dos organismos sob a forma de biomassa. Biomassa é simplesmente a quantidade de matéria que é armazenada nos corpos de um grupo de organismos. A produtividade pode ser definida para qualquer nível trófico ou outro grupo, e pode ser representada tanto em unidades de energia quanto de biomassa. Existem dois tipos básicos de produtividade: bruta e líquida.

Para ilustrar a diferença, vamos considerar a produtividade primária (a produtividade dos produtores primários de um ecossistema).

• Produtividade primária bruta ou PPB - é a taxa pela qual a energia solar é capturada em moléculas de açúcar durante a fotossíntese (energia capturada por unidade de área por unidade de tempo). Produtores como as plantas utilizam parte desta energia para respiração celular/metabolismo e parte para o crescimento (construção de tecidos).
• Produtividade primária líquida ou PPL - é a produtividade primária bruta menos a taxa de perda de energia para o metabolismo e manutenção. Em outras palavras, é a taxa à qual a energia é armazenada como biomassa por plantas ou outros produtores primários e disponibilizada aos consumidores no ecossistema.

As plantas normalmente capturam e convertem entre 1,3 e 1,6 % da energia solar que atinge a superfície da Terra e usam cerca de um quarto da energia capturada para o metabolismo e manutenção. Portanto, em torno de 1% da energia solar que atinge a superfície da terra (por unidade de área e tempo) termina como produtividade primária líquida.

A produtividade primária líquida varia entre ecossistemas e depende de muitos fatores. Entre eles destacamos a entrada de energia solar, os níveis de temperatura e umidade, os níveis de dióxido de carbono, a disponibilidade de nutrientes e as interações da comunidade. Esses fatores afetam a quantidade de fotossintetizadores presentes para capturar a energia da luz e o quão eficientes eles são em executar sua função.

Em ecossistemas terrestres, a produtividade primária varia de cerca de 2,000 (gramas por metro quadrado por ano) em florestas tropicais altamente produtivas e pântanos salinos a menos que 100 (gramas por metro quadrado por ano) em alguns desertos. Podemos ver como a produtividade primária líquida varia em escalas de tempo mais curtas no mapa dinâmico da Figura 2, que mostra variações sazonais e de ano a ano na produtividade primária líquida dos ecossistemas terrestres em todo o globo.

Figura 2: Mapa da produtividade primária média.

Como a energia se move entre os níveis tróficos?

A energia pode passar de um nível trófico para o seguinte quando as moléculas orgânicas do corpo de um organismo são comidas por outro organismo. No entanto, a transferência de energia entre os níveis tróficos geralmente não é muito eficiente.

Quão ineficiente? Em média, apenas cerca de 10% da energia armazenada como biomassa em um nível trófico (por exemplo, os produtores primários) será armazenada como biomassa no próximo nível trófico (por exemplo, os consumidores primários). Dito de outra forma, a produtividade líquida geralmente cai por um fator de dez, de um nível trófico para o próximo.

Por exemplo, em um ecossistema aquático em Silver Springs, Flórida, as produtividades líquidas (taxas de armazenamento de energia como biomassa) para níveis tróficos foram segundo a pesquisa de Howard Odum (1957) iguais a:

• Produtores primários, tais como plantas e algas: 7,618 (quilocaloria por metro quadrado por ano).
• Consumidores primários, tais como caramujos e larvas de insetos: 1,103 (quilocaloria por metro quadrado por ano).
• Consumidores secundários, tais como peixes e insetos grandes: 111 (quilocaloria por metro quadrado por ano).
• Consumidores terciários, tais como grandes peixes e cobras: 5 (quilocaloria por metro quadrado por ano).

A eficiência de transferência varia entre os níveis e não é exatamente 10%, mas podemos ver que é próxima à estimativa.

Figura 3: Produtores (plantas) e consumidores (peixes) de Silver Springs.

Por que a transferência de energia é ineficiente? Há várias razões. Uma é que nem todos os organismos em um nível trófico inferior serão comidos por aqueles em um nível trófico superior. Outra é que algumas moléculas dos corpos dos organismos que realmente são comidos não são digeríveis pelos predadores e são perdidas em suas fezes (cocô). Os organismos mortos e as fezes se tornam jantar para os decompositores. Finalmente, das moléculas que carregam energia que são absorvidas por predadores, algumas são utilizadas na respiração celular (em vez de ser armazenada como biomassa).

Exercícios

01) (UNAMA) Um motor de Carnot cujo reservatório à baixa temperatura está a 7,0°C apresenta um rendimento de 30%. A variação de temperatura, em Kelvin, da fonte quente a fim de aumentarmos seu rendimento para 50% será de:

a) 400

b) 280

c) 160

d) 560

02) (UCS – Vestibular de Inverno – 2011) Uma cozinheira distraiu-se e encostou uma parte do antebraço em uma panela muito quente, sofrendo queimadura. Admitindo que, na área de sua pele que sofreu o contato, a temperatura aumentou de 36,5 °C para 66,5 °C em 0,5 s, qual foi a potência da transferência de calor da panela para a pele da cozinheira? (Considere a capacidade térmica na pele afetada da cozinheira como 0,02 cal/°C e 1 caloria = 4,2 Joules.)

a) 5.04 W

b) 7.13 W

c) 8.95 W

d) 12.43 W

e) 17.44 W

03) (UFAM-AM) Analise as seguintes afirmativas a respeito dos tipos de transformações ou mudanças de estado de um gás.

I – em uma transformação isocórica o volume do gás permanece constante.

II – em uma transformação isobárica a pressão do gás permanece constante.

III – em uma transformação isotérmica a temperatura do gás permanece constante.

IV – em uma transformação adiabática variam o volume, a pressão e a temperatura.

Com a relação as quatro afirmativas acima, podemos dizer que:

a) só I e III são verdadeiras.

b) só II e III são verdadeiras.

c) I, II, III e IV são verdadeiras.

d) só I é verdadeira.

e) todas são falsas.

04) O que são propriedades intensivas e extensivas?

05) O que é um processo isoentrópico e isoentálpico?

06) Leia o texto “Fluxo de energia na Natureza” e faça um resumo? Depois com suas palavras quero que você, me diga o que entendeu e a sua importância?

07) (ENEM-MEC-011) Um motor só poderá realizar trabalho se receber uma quantidade de energia de outro sistema. No caso, a energia armazenada no combustível é, em parte, liberada durante a combustão para que o aparelho possa funcionar.

Quando o motor funciona, parte da energia convertida ou transformada na combustão não pode ser utilizada para a realização de trabalho. Isso significa dizer que há vazamento da energia em outra forma.

CARVALHO, A. X. Z. Física Térmica. Belo Horizonte: Pax, 2009 (adaptado).

De acordo com o texto, as transformações de energia que ocorrem durante o funcionamento do motor são decorrentes de a:
a) liberação de calor dentro do motor ser impossível.
b) realização de trabalho pelo motor ser incontrolável.
c) conversão integral de calor em trabalho ser impossível.
d) transformação de energia térmica em cinética ser impossível.
e) utilização de energia potencial do combustível ser incontrolável.

08) Elabore um Mapa Mental ou Conceitual de Máquinas Térmicas? Use cores para colorir e sua criatividade.

Boa Aula!

Espero que estejam todos bem.