Defina calor e trabalho.
Fonte: HIMMELBLAU, D.M. Engenharia Química Princípios e Cálculos. 7. ed. Rio de Janeiro: Prentice-Hall do Brasil, 2006. BRASIL, N. I. Introdução à Engenharia Química. Rio de Janeiro: Ed. Interciência, 1999.
Passo 1
O enunciado pede duas definições claras e utilizáveis na prova:
- Definir o que é calor.
- Definir o que é trabalho.
Informações dadas (fonte citada): referências bibliográficas de engenharia/química (Himmelblau e Brasil). Não há outros dados numéricos ou figuras. Vou fornecer definições, explicar conceitos relacionados (sistema, vizinhança, primeira lei), apresentar fórmulas usuais e exemplos práticos para que saiba aplicar na prova.
Passo 2
Antes de entrar nas definições, é importante fixar dois conceitos básicos que aparecem sempre:
- Sistema e vizinhança: um “sistema” é a porção de matéria ou espaço que se estuda (por exemplo, um gás dentro de um pistão). Tudo fora do sistema é a “vizinhança” ou “envoltório”.
- Transferência de energia: calor e trabalho são maneiras pelas quais energia pode passar entre o sistema e a vizinhança. A energia do sistema pode mudar por troca de calor, por realização de trabalho ou por transferência de matéria (quando houver fluxo de massa).
Esses conceitos ajudam a entender as definições formais que vêm a seguir.
Passo 3
Definição didática de calor:
- Calor é a forma de transferência de energia entre sistema e vizinhança que ocorre exclusivamente devido a uma diferença de temperatura. Em outras palavras, se duas partes ficam em contato térmico e há fluxo de energia porque uma está mais quente que a outra, esse fluxo é chamado de calor.
- Características importantes:
- Calor depende do processo (não é propriedade do estado do sistema). Ou seja, o quanto de calor foi transferido depende do caminho seguido para ir do estado inicial ao final.
- Unidade no SI: joule (
). - Em notação diferencial costuma-se escrever calor como uma diferencial inexata
para sinalizar que não é função de estado.
Exemplo prático (para a prova): aquecer um gás em um recipiente fechado — a energia transferida por condução entre a parede aquecida e o gás é calor. Se o processo é a volume constante, todo o calor fornecido aumenta a energia interna.
Passo 4
Fórmulas e relações úteis envolvendo calor (explicadas passo a passo):
- Para processos a volume constante, o calor fornecido
se relaciona com a variação da energia interna :
onde
é a variação da energia interna do sistema e
é o calor recebido pelo sistema à constante volume.
- Para aquecimento de substâncias, uma forma prática é:
onde
é a massa,
é o calor específico (à pressão ou volume, conforme o caso) e
é a variação de temperatura. Explanação: essa fórmula é uma aproximação útil quando
pode ser tomado constante; ela dá o calor necessário para elevar a temperatura do corpo.
Passo 5
Definição didática de trabalho:
- Trabalho é a forma de transferência de energia entre sistema e vizinhança associada à ação de forças através de deslocamentos macroscópicos ou, mais genericamente, à conjugação entre uma “força generalizada” e um “deslocamento generalizado”. Em termos simples: quando uma força externa age e causa movimento (ou quando o sistema exerce força e desloca algo), há transferência de energia que chamamos trabalho.
- Características importantes:
- Também depende do processo (não é propriedade do estado): escrevemos diferencial de trabalho como
. - Unidade no SI: joule (
). - No contexto de gases e pistões, o trabalho de pressão-volume (
-trabalho) é o mais comum e tem fórmula direta.
- Também depende do processo (não é propriedade do estado): escrevemos diferencial de trabalho como
Passo 6
Fórmula do trabalho de expansão/compressão (caso mais usado em prova):
- Se um gás se expande ou é comprimido contra uma pressão externa
e o volume muda de para , o trabalho realizado pelo sistema sobre a vizinhança é
- Observações sobre sinal e convenções:
- Convenção de engenharia (muito usada em engenharia/química e nos livros citados):
é o trabalho feito pelo sistema sobre a vizinhança. Assim, se o sistema se expande ( ), ; se o sistema é comprimido, . - Em alguns livros de termodinâmica a convenção é invertida; por isso, na prova leia qual convenção o enunciado adota. O importante é ser consistente.
- Convenção de engenharia (muito usada em engenharia/química e nos livros citados):
Passo 7
Relação entre calor, trabalho e energia interna — Primeira Lei da Termodinâmica:
- A primeira lei estabelece balanço de energia para uma mudança de estado do sistema:
onde
é a variação da energia interna do sistema,
é o calor recebido pelo sistema e
é o trabalho realizado pelo sistema (convenção de engenharia usada aqui). Explicação passo a passo:
- Se o sistema recebe calor positivo
e não realiza trabalho , a energia interna aumenta ( ). - Se o sistema realiza trabalho
maior que o calor recebido, a energia interna diminui. - Em processos que trocam massa, há termos adicionais (energia associada à massa), mas para provas iniciais muitas vezes a forma acima é suficiente.
Passo 8
Diferença entre funções de estado e funções de caminho (como usar na prova):
- Funções de estado: dependem apenas do estado final e inicial (por exemplo, energia interna
, entalpia , pressão , temperatura ). Uma variação de função de estado é um diferencial exato, escrito . - Calor e trabalho são funções de caminho: o valor de
e depende de como o sistema foi levado de um estado ao outro. Por isso se escreve e (diferenciais inexatas). - Dica prática para prova: se pergunta “quanto é
entre dois estados”, pode ser possível computar sem conhecer o caminho. Já para ou é preciso saber o processo específico (isotérmico, isobárico, isocórico, adiabático, etc.).
Passo 9
Exemplos rápidos para fixar (pequenos cálculos sem calculadora):
- Exemplo 1 (processo isocórico): um gás é aquecido a volume constante; não há
-trabalho ( ), logo e . Assim, o calor aplicado vai diretamente para aumentar . - Exemplo 2 (expansão reversível isotérmica de gás ideal): para um gás ideal à temperatura constante
, o trabalho reversível é
onde
é o número de mols,
é a constante universal dos gases e
é a temperatura (constante). Nesse processo
para gás ideal, então
.
- Esses exemplos mostram como identificar corretamente calor e trabalho em situações concretas.
Passo 10
Resumo prático para a prova (lembretes simplificados):
- Calor: transferência de energia por diferença de temperatura; notação
; depende do caminho; unidade . - Trabalho: transferência de energia por força e deslocamento (ex.:
-trabalho); notação ; depende do caminho; unidade . - Use a primeira lei
(verifique a convenção de sinais no enunciado). - Para
-trabalho, aplique com a pressão adequada (externa ou a pressão do gás quando reversível).
Resposta
Calor: transferência de energia entre sistema e vizinhança que ocorre devido a diferença de temperatura, depende do processo (função de caminho) e é representado diferencialmente por
.
Trabalho: transferência de energia entre sistema e vizinhança associada a forças atuando através de deslocamentos macroscópicos (ou conjugados), depende do processo (função de caminho) e é representado diferencialmente por .
Trabalho: transferência de energia entre sistema e vizinhança associada a forças atuando através de deslocamentos macroscópicos (ou conjugados), depende do processo (função de caminho) e é representado diferencialmente por