Usuário(a):Rpez/1ª Lei da termodinâmica

Termodinâmica
Processo de convecção.
Glossário de termodinâmica
Ramos Clássica Estatística Química
Leis Zero Primeira Segunda Terceira
Sistema termodinâmico Sistema termodinâmico Estado Equação de estado Gás ideal Gás real Estados físicos da matéria Equilíbrio Volume de controle Transformações Transformação termodinâmica Isobárica Isocórica Isotérmica Adiabática Isentrópica Isentálpica Politrópica Expansão livre Reversibilidade Irreversibilidade Ciclos Ciclo termodinâmico Máquinas térmicas Ciclo de refrigeração Eficiência termodinâmica
Grandezas físicas Funções de estado Nota: Variáveis conjugadas em itálico Propriedades extensivas e intensivas Calor Calor específico Condutividade térmica Densidade Energia Entropia Fluxo Potência Potencial químico Pressão Temperatura Título Trabalho Vazão Volume
Propriedades Capacidade térmica específica  $c=$ $T$ $\partial S$ $N$ $\partial T$ Compressibilidade  $\beta =-$ $1$ $\partial V$ $V$ $\partial p$ Dilatação térmica  $\alpha =$ $1$ $\partial V$ $V$ $\partial T$
Equações termodinâmicas Teorema de Carnot Lei dos gases ideais Relações de Maxwell Teorema da equipartição Teorema do virial Lei de Henry Lei de Boyle-Mariotte Equação de Van der Waals Raio de Van der Waals Lei de Charles
Potencial termodinâmico Potencial termodinâmico Energia livre Energia interna $U(S,V)$ Entalpia $H(S,p)=U+pV$ Energia livre de Helmholtz $A(T,V)=U-TS$ Energia livre de Gibbs $G(T,p)=H-TS$
História Cultura História Geral Leis dos gases Filosofia Demônio de Maxwell Teorias Teoria calórica Teoria do calor Vis viva ("força viva") Equivalente mecânico do calor Potência motriz
Cientistas Bernoulli Boltzmann Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson van der Waals Waterston

A primeira lei da termodinâmica é a lei de conservação da energia. Nela observamos a equivalência entre trabalho e calor. Esta lei enuncia que a energia total transferida para um sistema é igual à variação da sua energia interna.

Conceitos Iniciais

• Termodinâmica: É a ciência que estuda as transformações de energia. Ela relaciona o estudo da energia térmica, geralmente tratada como energia interna de sistemas. Seu conceito central é a temperatura.

• Processo Termodinâmico: Procedimento pelo qual um sistema varia de um estado inicial para um estado final.

• Estado de Equilíbrio: Quando as variáveis Pressão (p), Volume (V) e Temperatura (T) não variam. Os processos de equilíbrio são realizados bem lentamente.

• Equação de Estado: Descreve a relação entre a pressão, volume e temperatura, através da expressão:

p.V = n.R.T

onde, n é o número de moldes; e, R é a constante dos gases, R = 8,31 J/mol.K

• Energia Interna (E_int): A energia interna de um sistema é a soma das energias cinética e potencial de todas as partículas que formam este sistema. Por esta razão, é considerada uma propriedade do sistema, e assim, só depende do estado inicial e estado final do processo.

• Calor: Representado pelo símbolo Q, refere-se à energia em trânsito entre um sistema e sua vizinhança, em virtude da alteração da temperatura. Neste processo, a energia transferida sob forma de calor contribui para a agitação caótica dos átomos das vizinhanças.Cabe salientar que o calor não é uma função de estado do sistema. No SI, sua unidade é o Joule [J].

Dizemos que:

Q>0, quando o sistema recebe calor Q<0, quando o sistema perde calor

• Trabalho: Representado pelo símbolo W, o termo trabalho, na termodinâmica, representa um fenômeno transitório, um certo fluxo de energia entre o sistema e seu meio. A quantidade de trabalho transferida do sistema é igual ao trabalho transferido ao meio. Assim como o calor, o trabalho não é uma função de estado do sistema, pois dependem da trajetória ou caminho (deslocamento do estado inicial para o estado final). No SI, sua unidade é o Joule [J].

Dizemos que:

W>0, quando o sistema se expande e perde energia para o meio externo W<0, quando o sistema se contrai e recebe energia do meio externo

Primeira Lei da Termodinâmica

A Primeira Lei da Termodinâmica é a conhecida como a lei de conservação da energia. Nela, observamos a equivalência entre trabalho (W) e o calor (Q). Esta lei enuncia que a energia total transferida para um sistema é igual à variação da sua energia interna, ou seja, em todo processo natural, a energia do universo se conserva.

Após inúmeros experimentos, constatou-se que a variação Q - W é a mesma para todos os processos. Isto quer dizer que depende apenas dos estados inicial e final sem se importar com o caminho realizado pela chegar a tais condições de estado final. Entretanto, deve-se ter um cuidado especial, pois as quantidades de energia dependem do processo que leve um sistema a outro. Lembre-se: O sistema somente armazena ou transfere energia. Ele não a produz ou consome!

Numericamente, expressamos:

${\boldsymbol {\Delta E}}$ = E_int,f - E_int,i = ${\boldsymbol {\ Q}}-{\boldsymbol {\ W}}$

e para uma variação diferencial:

dE_int = dQ - dW

A fórmula acima descreve a 1ª Lei da termodinâmica, e a partir dela observamos que, a energia interna (E_int) de um sistema aumenta quando é acrescentada energia sob a forma de calor Q e diminui se for cedida energia para o meio sob a forma de trabalho W.

• Para o cálculo do trabalho (W):

dW = F . dx

onde, F = pressão . área A

dW = (p . A)dx dW = p .(Adx) dW = p . dV

onde, p é a pressão e dV, é a derivada parcial do volume

Calculando a integral, temos:

W = $\int _{Vi}^{Vf}p\,dV$

• Para o cálculo do calor (Q):

Q = m . c. (T_f - T_i)

onde, c é a calor específico, m é a massa e T, é a temperatura

Q = m . L (durante a mudança de estado)

Podemos transferir energia para dentro ou para fora do sistema, tanto sob forma de calor quanto por trabalho. Suponhamos que o sistema esteja em um estado inicial i e realiza trabalho, expandindo-se. Este trabalho mecânico diminui a energia interna do sistema, então

$\Delta E$ = -W

Podemos também variar o estado do sistema colocando-o em contato térmico com outro sistema cuja temperatura esteja diferente. Assim, uma quantidade de calor se desloca do sistema de maior valor Q para o menor fazendo com que haja um aumento da energia interna deste sistema menor, assim

$\Delta E$ = Q

Casos Especiais

1. Processos Adiabáticos: Processo que ocorre muito rapidamente em que não há troca de calor com o meio externo, Q = 0. A variação da energia interna depende somente do trabalho. ex.: Desodorante Aerosol e champagne.

2. Processos a Volume Constante: Também conhecido como processo isométrico, onde não há trabalho envolvido, W = 0. A variação da energia interna depende da diferença de temperatura.

3. Processos Cíclicos: A energia interna não varia porque obtém volume, pressão e temperatura iguais no estado inicial e final. O trabalho será negativo e corresponde à área dentro da figura. Por convenção: W₊ → quando desloca-se no sentido horário e W_- → quando desloca-se no sentido anti-horário.

4. Expansões Livres: A temperatura não varia. Ocorre uma ocupação de um espaço antes no vácuo, então trabalho e calor iguais a zero.

Adiabático	Q = 0 , $\Delta E$ = - W
V constante	W = 0 , $\Delta E$ = Q
Cíclicos	$\Delta E$ = 0 , Q = W
Expansões Livres	Q = W = 0 , $\Delta E$ = 0

História

Em meados do século XIX, um dos assuntos mais intrigantes aos cientistas da época era a transformação de calor em movimento através das máquinas térmicas. Neste período, ocorria a Revolução Industrial na Inglaterra e as máquinas térmicas a vapor foram as grandes responsáveis por parte do seu sucesso. O princípio dessas máquinas era bastante simples: aquecendo um gás ele se expandia. Em 1763, o escocês James Watt percebeu que havia um grande desperdício de vapor, que custava dinheiro e diminuia os lucros das indústrias. Entretanto, acredita-se que a primeira máquina térmica seja datada de 50 d.C e desenvolvida por Héron de Alexandria. Héron, descobriu que o ar se expandia quando aquecido, e assim, poderia utilizá-lo para produzir força mecânica. O grande Leonardo da Vinci também usou o vapor d'água para produzir movimentos.

Preocupado em aperfeiçoar as máquinas térmicas, o cientista francês Sadi Carnot (1796-1832), desenvolveu, em 1824, a teoria que explicava o rendimento de uma máquina, ou seja, quanto de calor a máquina transformava em trabalho. Ele então desenvolveu um modelo teórico para as máquinas térmicas e descobriu qual deveria ser a maneira mais eficiente de transformar calor em movimento. À esse modelo teórico, deu-se o nome de Máquina de Carnot.

O estabelecimento do princípio da conservação de energia também ocorreu no século XIX, em estudos da termodinâmica. Nessa época, já se sabia que o calor poderia ser gerado pelo atrito (energia mecânica), eletricidade e reações químicas. Por volta de 1840, o físico inglês James Prescott Joule (1818-1889) em seus estudos, procurou quantificar a energia mecânica necessária que equivalesse à uma caloria. Em sua homenagem, atribuiu-se o seu nome à unidade de energia, Joule [J]. 1J = 4,181cal.

Em 1848,o engenheiro, físico e matemático Willian Thomson, também conhecido como Lorde Kelvin, publicou um artigo fundamentado na teoria de Carnot. Nele, buscou a equivalência entre a escala dos gases ideais e a escala termodinâmica, desenvolvendo uma escala cujas referências eram os pontos fixos: zero absoluto (0) e a temperatura do gelo fundente (273,16). Essa escala é utilizada até hoje e, em sua homenagem, sua unidade no SI é Kelvin [K].

Baseados nos trabalhos de Joule e um outro cientista, denominado Mayer, Rudolf Clausius e Lorde Kelvin, em 1850, desenvolveram a Primeira e a Segunda Lei da Termodinâmica. Isso, mudaria completamente a compreensão do calor como forma de energia e ampliou o campo de atuação da termodinâmica.

Referências

1. Clausius, R. (1850) «Über die bewegende Kraft der Wärme» Annalen der Physik und Chemie. Vol. 79. pp. 368-397, 500-524.
2. Thomson, W. (Lord Kelvin) (1851) «On the Dynamical Theory of Heat, with Numerical Results Deduced from Mr Joule’s Equivalent of a Thermal Unit, and M. Regnault’s Observations on Steam» Transactions of the Royal Sociey of Edinburgh. Vol. 20. pp. 261-268, 289-298.
3. Halliday, David; Walker, Jearl; Resnick, Robert. Fundamentos de Física: Gravitação, Ondas e Termodinâmica. Vol. 2. ed. LTC. 7ªed., 2003.
4. Atkins, J. de Paula. “Físico-Química”, LTC Editora. 7ªed, 2003.
5. Passos, Júlio César. Os experimentos de Joule e a primeira lei da termodinâmica. Revista Brasileira de Ensino de Física. vol.31 no.3. São Paulo. edição jul./set, 2009.
6. Ferreira, G.F. Leal. Uma definição natural de energia cinética e potencial em termodinâmica. Revista Brasileira de Ensino de Física. v.29 n.1. São Paulo, 2007.

Ligações externas

• Primeira lei explicada
• A 1ª Lei da Termodinâmica
• Primeira Lei da Termodinâmica - Ciclo de Otto
• Leis da Termodinâmica