Primeira Lei da Termodinâmica

Primeira Lei da Termodinâmica – Definição

A Primeira Lei da Termodinâmica afirma que o calor é uma forma de energia e processos termodinâmicos são, portanto, sujeita ao princípio da conservação da energia. Isto significa que a energia de calor não pode ser criado ou destruído. Pode, no entanto, ser transferida de um local para outro e convertido para e de outras formas de energia.

Primeira Lei da Termodinâmica – O que é

Primeira Lei da Termodinâmica

Termodinâmica é um ramo da física que lida com a energia e trabalho de um sistema.

A Termodinâmica lida apenas com a resposta em grande escala de um sistema que podemos observar e medir em experimentos. Interações de gases em pequena escala são descritos pela teoria cinética dos gases.

Existem três principais leis da termodinâmica.

Cada lei leva à definição de propriedades termodinâmicas que nos ajudam a compreender e prever o funcionamento de um sistema físico.

A primeira lei da Termodinâmica simplesmente afirma que a energia não pode ser criada nem destruída (conservação de energia).

Assim, os processos de geração de energia e fontes de energia realmente envolvem conversão de energia de uma forma para outra, ao invés de criação de energia a partir do nada.

Primeira Lei da Termodinâmica – Conservação de Energia

Primeira Lei da Termodinâmica

A Primeira Lei da Termodinâmica, também chamada de Conservação de Energia, afirma que a quantidade total de energia no universo é constante.

Isto significa que toda a energia tem de acabar-se, quer na forma original, ou numa diferente.

Podemos utilizar este conhecimento para determinar a quantidade de energia num sistema, a quantidade perdida na forma de calor e da eficiência do sistema.

Em síntese:

A Primeira Lei da Termodinâmica: A energia pode ser alterado de uma forma para outra, mas não pode ser criada ou destruída.

A quantidade total de energia e de matéria no Universo permanece constante, apenas mudando de uma forma para outra.

A Primeira Lei da Termodinâmica (Conservação) afirma que a energia é sempre conservada, ela não pode ser criada ou destruída. Em essência, a energia pode ser convertida de uma forma para outra.

A primeira lei da termodinâmica é a aplicação da conservação da energia princípio aos processos termodinâmicos e calor:

A primeira lei faz uso dos conceitos-chave de energia interna , calor e sistema de trabalho . É amplamente utilizado na discussão dos motores térmicos.

A unidade padrão para todas essas quantidades seria o efeito de Joule, por vezes, se expressa em calorias ou BTU.

É típico de textos de química para escrever a primeira lei como?

U = Q + W

É a mesma lei, é claro – a expressão termodinâmica do princípio de conservação do de energia. É justo que W é definido como o trabalho realizado sobre o sistema, em vez do trabalho realizado pelo sistema.

No contexto da física, o cenário comum é uma adição de calor até um volume de gás e com a expansão do gás que para fazer o trabalho, tal como no que empurra para baixo de um êmbolo num motor de combustão interna.

No âmbito de reações químicas e de processo, ele pode ser mais comum de lidar com situações em que o trabalho é feito no sistema, em vez de por ela.

Primeira Lei da Termodinâmica – Física

A primeira lei da termodinâmica trata de um princípio fundamental em física: a conservação de energia. No entanto, como os processos termodinâmicos, além do trabalho mecânico, também envolvem trocas de calor, esse princípio foi ampliado e foi introduzido o conceito de energia interna de um sistema. A energia interna será representada pela letra U.

A energia interna de um sistema pode ser entendida como a soma da energia cinética de todas as partículas que constituem o sistema somada com a sua energia potencial total, devido à interação entre elas.

Essa lei de conservação de energia é considerada como o exemplo mais claro de descoberta simultânea, sendo anunciada por quatro cientistas europeus entre 1842 e 1847: Mayer, Joule, Colding e Helmholtz. Além desses, muitos outros, norteados pelos estudos de motores térmicos, contribuíram para que as ideias de conversão entre energia mecânica e térmica fossem amadurecidas. O fato é que esses cientistas, aparentemente, sem terem conhecimento uns dos outros, apresentaram ideias com o mesmo eixo unificador centrado na conservação de energia.

Da mesma forma como acontece para a energia potencial gravitacional de um corpo, a variação da energia interna depende apenas dos estados inicial e final dessa energia.

Como veremos neste Capítulo, a primeira lei da termodinâmica nos dá uma relação para encontrar a partir do calor transferido e do trabalho realizado. Com isso é possível definir um valor específico de U para um estado de referência e dessa forma encontrar a energia em qualquer outro estado.

O estado termodinâmico de um fluido homogêneo (líquido ou gás) é descrito pela sua pressão (P), volume (V) e temperatura (T), sendo que ele fica inteiramente determinado por um par dessas variáveis: (PV), (PT) ou (VT), ficando assim determinada a temperatura, volume e pressão, respectivamente.

Um sistema termodinâmico é caracterizado por ser capaz de realizar trocas de energia com sua vizinhança, ou seja, ele interage com o meio ambiente em sua volta. Isso pode ocorrer através de transferência de calor ou realização de trabalho.

Equivalente mecânico de caloria

A relação entre energia mecânica e calor foi estabelecida por Joule em meados do século XIX, estudando o aquecimento da água quando a mesma era mexida por um agitador, como ilustrado na figura abaixo. Ele utilizou um recipiente contendo água e constituído de paredes adiabáticas, e o movimento das pás era controlado pelo trabalho de subida e descida das massas conectadas ao eixo de giro, permitindo dessa forma calcular o trabalho realizado pelas pás.

Esboço do esquema utilizado por Joule para determinar o equivalente mecânico de caloria.
Consiste de um recipiente com paredes adiabáticas contendo água, constituído de pás giratórias para agitar a água

As paredes adiabáticas não permitem troca de calor com o meio externo, constituindo um sistema termicamente isolado.

Joule verificou que o aumento da temperatura era proporcional ao trabalho realizado, sendo que eram necessários 4,186 Joules para aumentar a temperatura de 1,0 grama de água de 14,5°C para 15,5°C, o que equivale a 1,0 caloria, então estabeleceu-se a relação: 1,0 cal = 4,186 J.

Além disso, Joule mostrou por métodos diferentes que a mesma quantidade de trabalho era necessária para ter o mesmo efeito na temperatura. Um outro método foi utilizar uma resistência elétrica para aquecer a água (é isso que acontece num chuveiro elétrico). Nesse caso, o gerador de corrente que alimenta a resistência é que realiza o trabalho sobre o sistema.

No Sistema Internacional de medidas (SI) adota-se o Joule como unidade básica de energia, inclusive para o calor.

Vamos estudar agora algumas formas de transferência de energia entre um sistema e sua vizinhança, e como isso interfere na energia interna desse sistema.

Trabalho adiabático

Vamos considerar um gás em equilíbrio termodinâmico num recipiente de paredes adiabáticas com um pistão móvel. Esse gás é descrito pela sua pressão inicial (Pi)e seu volume inicial (Vi). Quando é realizado um trabalho sobre o sistema, que pode ser através da colocação de um corpo de massa m sobre o pistão, o sistema tende para uma nova posição final de equilíbrio com (Pi) e (Vi). (ver figura abaixo).

É importante lembrar que as leis da termodinâmica podem ser aplicadas apenas nas situações de equilíbrio termodinâmico, portanto os parâmetros do estado final podem ser considerados apenas após esse estado ter atingido o equilíbrio. Sabemos que isso não ocorre durante o deslocamento do pistão pela ação da força de contato do corpo com o pistão, onde ocorrem movimentos turbulentos no gás, portanto esses estados intermediários não são de equilíbrio.

Mais adiante veremos que a condição de equilíbrio dos estados intermediários é necessária para que se possa obter uma curva num diagrama PV, tornando o processo reversível.

Ilustração de uma compressão adiabática de um gás através da colocação de um corpo de massa m sobre um pistão móvel:
(a) estado de equilíbrio inicial, antes de colocar a massa, descrito por (Pi) e (Vi), e
(b) estado de equilíbrio final, depois de colocada a massa, descrito por (Pf) e (Vf).

Na nova configuração de equilíbrio (Pf ,Vf), percebemos que o volume foi reduzido e com isso a pressão interna deve ter aumentado. Diz-se que nesse processo foi realizado um trabalho adiabático sobre o sistema, pois não houve troca de calor. Esse trabalho, por sua vez, produz um aumento da energia interna do sistema, que reflete num aumento da temperatura do gás, pelo fato de as paredes não permitirem fuga de calor (como no caso do experimento de Joule).

Da mesma forma, se o corpo de massa m fosse removido no exemplo (b) da figura acima, o gás iria expandir-se até uma nova posição de equilíbrio, realizando trabalho sobre o pistão e resultando no seu movimento. Nesse caso, diria-se que o sistema realizou trabalho, causando uma diminuição da energia interna do gás.

A partir dessas considerações, podemos definir:

ou seja, em um sistema termicamente isolado a variação da energia interna é igual ao trabalho realizado do estado inicial ao estado final .

O sinal negativo aparece por definição histórica do estudo de máquinas térmicas onde padronizou-se que o trabalho é positivo (W > 0) quando o mesmo é realizado pelo sistema, e negativo (W < 0) quando é realizado sobre o sistema. Assim, como o trabalho realizado pelo sistema diminui a energia interna, coloca-se o sinal negativo.

Essa padronização histórica está associada à ideia de trabalho útil (que pode ser aproveitado) no estudo de máquinas térmicas. Por exemplo, numa máquina a vapor, como uma locomotiva, quando a água é transformada em vapor pela absorção de calor da caldeira o volume aumenta e, com isso, empurra o pistão realizando o trabalho necessário para mover a alavanca que faz girar as rodas. Ou seja, a expansão do sistema gerou trabalho, e esse trabalho então foi considerado positivo. Mais adiante veremos que a mesma ideia é utilizada para definir como positiva uma quantidade de calor que é transferida a um sistema termodinâmico, pois essa energia transferida também pode ser convertida em trabalho útil.

A força que as moléculas do gás exercem sobre as paredes de um recipiente está relacionada com as colisões momentâneas das moléculas com a parede. O trabalho na mecânica, por sua vez, está associado com um deslocamento durante a aplicação de uma força. Assim, o trabalho é identificado apenas quando ocorre um deslocamento da parede, que é observado no caso do pistão do exemplo anterior.

Considerando A como sendo a área do pistão, a força F sobre ele pode ser expressa por:

F = PA

onde P é a pressão que o gás exerce sobre o pistão.

Dessa forma, para um deslocamento infinitesimal dx, o trabalho relativo a essa força é:

mas , que representa uma pequena variação de volume, então:

A notação é utilizada para identificar que representa apenas uma quantidade infinitesimal de trabalho, não sendo uma diferencial exata, ou seja, a partir da integração da equação 4.4 obtemos apenas uma quantidade de trabalho realizado entre o estado inicial e final, mas jamais poderemos determinar quanto é o trabalho inicial (Wi)ou o trabalho final (Wf). Na verdade, assim como o calor, o trabalho não é uma propriedade do sistema.

Como veremos mais adiante, isso está relacionado com o fato que o trabalho não é uma função de estado termodinâmico e, portanto, o trabalho realizado depende do tipo de processo (se adiabático, se isotérmico etc.).

Dessa forma, para uma variação finita de (Vi) até (Vf), o trabalho é dado pela integral da equação nestes limites:

Em geral, a pressão do sistema pode variar durante a variação do volume, portanto para calcular o trabalho a partir da equação 4.5 é necessário conhecer o caminho entre os estados (Vi) e(Vf), ou seja, conhecer a função P = P(V)

Fonte: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/chemistry.osu.edu/www.fsc.ufsc.br