Aula 69 — 1ª Lei da Termodinâmica (Conservação da energia térmica)
50 minObjetivo geral
Compreender a Primeira Lei da Termodinâmica como expressão da conservação de energia aplicada a um gás, relacionando calor trocado, trabalho realizado e variação de energia interna (ΔU = Q − W).
Objetivos específicos
- Enunciar a Primeira Lei da Termodinâmica: ΔU = Q − W.
- Definir energia interna (U) de um gás como associada à energia cinética total de suas partículas, dependendo apenas da temperatura para um gás ideal.
- Aplicar corretamente a convenção de sinais: Q positivo quando o gás recebe calor, W positivo quando o gás realiza trabalho (se expande).
- Resolver problemas simples calculando ΔU, Q ou W a partir das outras duas grandezas.
Conhecimentos prévios
- Equação de Clapeyron, PV=nRT (Aula 68).
- Conservação de energia mecânica (Módulo 3).
Recursos didáticos
- Apresentação de slides — Possor_Aula69_Apresentacao.pptx.
- Quadro/lousa e material de escrita.
- Bomba de ar de bicicleta (ou seringa vedada) para a demonstração inicial.
Desenvolvimento da aula
Acolhida e Sondagem de Conhecimentos Prévios
5 min · Ausubel — ativação de subsunçoresO professor pergunta: "quando eu bombeio ar rapidamente com uma bomba de bicicleta, por que o corpo da bomba esquenta, mesmo sem eu ter fornecido calor a ela?" Ouvir hipóteses.
Problematização Inicial
5 min · Bachelard — obstáculo epistemológico antecipadoPerguntar de onde exatamente vem essa energia que aquece o ar dentro da bomba. Obstáculo a nomear (sem resolver ainda): achar que só existe uma forma de mudar a energia interna de um gás (trocando calor), ignorando que realizar trabalho sobre o gás também muda sua energia interna.
Desenvolvimento Conceitual
20 min · Exposição dialogadaApresentação dos slides 2 a 8: a Primeira Lei da Termodinâmica, ΔU = Q − W, expressa a conservação de energia — a variação de energia interna do gás é igual ao calor recebido menos o trabalho realizado PELO gás. Convenção de sinais: Q>0 quando o gás recebe calor, Q<0 quando cede; W>0 quando o gás se expande (realiza trabalho sobre o ambiente), W<0 quando é comprimido (o ambiente realiza trabalho sobre ele). Resolução explícita do obstáculo do Momento 2: ao bombear rapidamente, o ar é comprimido (o ciclista realiza trabalho SOBRE o gás, ou seja, W é negativo do ponto de vista do gás) sem tempo de trocar calor com o ambiente (Q≈0) — pela lei, ΔU = 0 − W(negativo) = positivo, ou seja, a energia interna aumenta, e o gás esquenta, mesmo sem receber calor de fora.
Resolução Guiada
10 min · Vygotsky — Zona de Desenvolvimento ProximalO professor resolve um exemplo em que um gás recebe uma quantidade de calor conhecida e realiza um trabalho conhecido, calculando ΔU. Em duplas, os alunos resolvem um segundo exemplo em que o gás é comprimido (W negativo) e cede calor (Q negativo).
Exercícios de Fixação
7 min · Prática independenteAplicação individual (ou em duplas) da lista de exercícios de fixação (seção 8 deste plano). O professor circula pela sala, corrigindo quem erra o sinal de Q ou de W na fórmula.
Síntese e Fechamento
3 min · Consolidação (fechamento circular)Retomar a pergunta do Momento 1: comprimir rapidamente o ar na bomba de bicicleta realiza trabalho sobre o gás sem dar tempo de trocar calor, aumentando sua energia interna e, portanto, sua temperatura. Reforçar ΔU = Q − W e a convenção de sinais.
Avaliação formativa
Ao longo da aula: perguntas rápidas de verificação (Momento 3) e observação direta durante a resolução em duplas (Momento 4), checando se os alunos aplicam corretamente a convenção de sinais. Ao final: correção coletiva dos exercícios.
Lista de exercícios
1. Um gás recebe 500 J de calor e realiza 200 J de trabalho sobre o ambiente (se expandindo). Qual a variação de energia interna do gás?
Gabarito: ΔU = Q − W = 500 − 200 = 300 J.
2. Um gás é comprimido, recebendo 150 J de trabalho do ambiente, e cede 50 J de calor durante o processo. Qual a variação de energia interna?
Gabarito: Trabalho recebido pelo gás significa W = −150 J (trabalho REALIZADO PELO gás é negativo). Calor cedido significa Q = −50 J. ΔU = Q − W = −50 − (−150) = 100 J.
3. Explique por que o ar dentro de uma bomba de bicicleta esquenta ao ser comprimido rapidamente, mesmo sem receber calor de fora.
Gabarito: A compressão rápida não dá tempo para trocar calor com o ambiente (Q≈0), mas o ciclista realiza trabalho SOBRE o gás (W negativo, do ponto de vista do gás). Pela Primeira Lei, ΔU = Q − W = 0 − (negativo) = positivo: a energia interna aumenta, e como energia interna de um gás ideal depende só da temperatura, o gás esquenta.
4. Num processo em que o volume do gás não muda (isométrico), o que se pode afirmar sobre o trabalho W?
Gabarito: W = 0, pois não há expansão nem compressão do gás (trabalho de um gás está associado a variação de volume). Nesse caso, ΔU = Q: toda a energia trocada como calor vira variação de energia interna.
5. Um gás sofre uma transformação isotérmica (temperatura constante). O que se pode afirmar sobre ΔU nesse caso, para um gás ideal? E o que isso implica sobre a relação entre Q e W?
Gabarito: Para um gás ideal, a energia interna depende só da temperatura; se T não muda, ΔU = 0. Pela Primeira Lei, 0 = Q − W ⇒ Q = W: todo o calor recebido é convertido integralmente em trabalho realizado pelo gás (e vice-versa).
Observações e extensão
Próxima aula: Trabalho em uma Transformação Gasosa (Área do gráfico P×V). Nota para o professor: a Primeira Lei é o coração conceitual da termodinâmica dos gases — reservar um tempo extra se a turma tiver dificuldade com a convenção de sinais antes de avançar.