B.4 · Termodinâmica

Esta apostila cobre tópicos selecionados de HL para o curso avaliado pela primeira vez em 2025; não constitui o programa completo.

Pré-requisitos: ler as quantidades e unidades declaradas, e usar aritmética e as condições do modelo abaixo.

Os exemplos são originais e fictícios: não são medições reais nem investigações reais de estudantes.

O que explicaria esta observação?

• Comprimir um gás pode aquecê-lo mesmo sem aquecedor. Trabalho é outra via para transferência de energia para o sistema.

Construa o modelo

• Energia interna é uma propriedade do sistema escolhido.
• Calor e trabalho descrevem a transferência de energia através de sua fronteira.
• Para um gás ideal monoatômico, a energia interna depende da temperatura e da quantidade.
• Adiabático: Um processo sem transferência de calor.
• Energia interna: Energia cinética e potencial microscópica total de um sistema.

Escolha evidências que possam testá-lo

• Estabeleça uma convenção de sinais antes de usar a primeira lei.
• Aqui, a variação da energia interna é igual ao calor que entra no sistema menos o trabalho realizado pelo sistema.
• O trabalho de expansão pode reduzir a energia interna quando não há entrada de calor.

No laboratório: Identifique se um processo é isotérmico, adiabático ou a volume constante. Em um gráfico de pressão versus volume, a área sob a curva do processo fornece o trabalho realizado pelo gás. O caminho importa para o trabalho mesmo quando os pontos inicial e final são iguais.

Trabalhe a partir de quantidades conhecidas

• Conhecido: o gás ganha 300 J por aquecimento e realiza 120 J de trabalho.
• Com ΔU = Q-W, ΔU = 300-120 = 180 J.
• Para compressão adiabática, Q=0 e o trabalho realizado pelo gás é negativo, logo ΔU é positivo.

Sua vez: Um gás ganha 500 J de calor e realiza 200 J de trabalho. Encontre a variação da energia interna.

Verifique a conclusão e seus limites

• Adiabático não significa temperatura constante.
• Use a convenção de sinais especificada; alguns cursos atribuem sinal oposto ao trabalho realizado sobre o gás.

Incorreto: Todo processo adiabático tem temperatura constante. Adiabático fixa a troca de calor (Q = 0), não a temperatura. Uma compressão adiabática eleva a temperatura — aquecimento de bombas de bicicleta — e uma expansão adiabática a reduz. O processo de temperatura constante é isotérmico, não adiabático.

Chave:

• A energia interna é uma propriedade do sistema escolhido.
• Estabeleça uma convenção de sinais antes de usar a primeira lei.
• Atenção: adiabático não significa temperatura constante.

Escreva a partir de uma variação de energia interna de 450 J

• Um gás recebe 800 J de calor e realiza 350 J de trabalho.
• Encontre a variação da energia interna. Adiabático significa ausência de troca de calor, não temperatura constante.

Escreva a partir de uma conta isotérmica

• Um gás expande-se lentamente a temperatura constante, realizando 200 J de trabalho.
• ΔU = 0, logo Q = W = 200 J: o calor entra exatamente na mesma velocidade que o trabalho sai — uma isoterm é um equilíbrio, não uma ausência de energia.

Escreva a partir do líquido líquido de um ciclo

• Em um ciclo completo, um gás absorve 500 J e rejeita 300 J.
• Trabalho líquido = 500 − 300 = 200 J e ΔU = 0 no ciclo; a energia interna é uma função de estado e retorna ao seu valor inicial.