{"id":66476,"date":"2016-07-19T13:51:42","date_gmt":"2016-07-19T13:51:42","guid":{"rendered":"http:\/\/cms.portalsaofrancisco.com.br\/?p=66476"},"modified":"2016-07-19T14:17:58","modified_gmt":"2016-07-19T14:17:58","slug":"primeira-lei-da-termodinamica","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/lab.fabricadelandings.com.br\/portalsaofrancisconovo\/ciencias-da-natureza\/fisica\/primeira-lei-da-termodinamica","title":{"rendered":"Primeira Lei da Termodin\u00e2mica"},"content":{"rendered":"

Primeira Lei da Termodin\u00e2mica – Defini\u00e7\u00e3o<\/h4>\n

A Primeira Lei da Termodin\u00e2mica<\/strong> afirma que o calor \u00e9 uma forma de energia e processos termodin\u00e2micos s\u00e3o, portanto, sujeita ao princ\u00edpio da conserva\u00e7\u00e3o da energia. Isto significa que a energia de calor n\u00e3o pode ser criado ou destru\u00eddo. Pode, no entanto, ser transferida de um local para outro e convertido para e de outras formas de energia.<\/p>\n

Primeira Lei da Termodin\u00e2mica – O que \u00e9<\/h4>\n

\"Primeira
\n Primeira Lei da Termodin\u00e2mica<\/strong><\/p>\n

Termodin\u00e2mica<\/strong> \u00e9 um ramo da f\u00edsica que lida com a energia e trabalho de um sistema. <\/p>\n

A Termodin\u00e2mica <\/strong>lida apenas com a resposta em grande escala de um sistema que podemos observar e medir em experimentos. Intera\u00e7\u00f5es de gases em pequena escala s\u00e3o descritos pela teoria cin\u00e9tica dos gases. <\/p>\n

Existem tr\u00eas principais leis da termodin\u00e2mica. <\/strong><\/p>\n

Cada lei leva \u00e0 defini\u00e7\u00e3o de propriedades termodin\u00e2micas que nos ajudam a compreender e prever o funcionamento de um sistema f\u00edsico.<\/p>\n

A primeira lei da Termodin\u00e2mica<\/strong> simplesmente afirma que a energia n\u00e3o pode ser criada nem destru\u00edda (conserva\u00e7\u00e3o de energia).<\/p>\n

Assim, os processos de gera\u00e7\u00e3o de energia e fontes de energia realmente envolvem convers\u00e3o de energia de uma forma para outra, ao inv\u00e9s de cria\u00e7\u00e3o de energia a partir do nada.<\/p>\n

Primeira Lei da Termodin\u00e2mica – Conserva\u00e7\u00e3o de Energia<\/strong><\/h4>\n

\"Primeira
\n Primeira Lei da Termodin\u00e2mica<\/strong><\/p>\n

A Primeira Lei da Termodin\u00e2mica<\/strong>, tamb\u00e9m chamada de Conserva\u00e7\u00e3o de Energia<\/strong>, afirma que a quantidade total de energia no universo \u00e9 constante.<\/p>\n

Isto significa que toda a energia tem de acabar-se, quer na forma original, ou numa diferente. <\/p>\n

Podemos utilizar este conhecimento para determinar a quantidade de energia num sistema, a quantidade perdida na forma de calor e da efici\u00eancia do sistema.<\/p>\n

Em s\u00edntese:<\/strong><\/p>\n

A Primeira Lei da Termodin\u00e2mica: <\/strong>A energia pode ser alterado de uma forma para outra, mas n\u00e3o pode ser criada ou destru\u00edda. <\/p>\n

A quantidade total de energia e de mat\u00e9ria no Universo permanece constante, apenas mudando de uma forma para outra. <\/p>\n

A Primeira Lei da Termodin\u00e2mica<\/strong> (Conserva\u00e7\u00e3o) afirma que a energia \u00e9 sempre conservada, ela n\u00e3o pode ser criada ou destru\u00edda. Em ess\u00eancia, a energia pode ser convertida de uma forma para outra.<\/p>\n

A primeira lei da termodin\u00e2mica \u00e9 a aplica\u00e7\u00e3o da conserva\u00e7\u00e3o da energia princ\u00edpio aos processos termodin\u00e2micos e calor: <\/strong><\/p>\n

\"Primeira<\/p>\n

A primeira lei faz uso dos conceitos-chave de energia interna , calor e sistema de trabalho . \u00c9 amplamente utilizado na discuss\u00e3o dos motores t\u00e9rmicos. <\/p>\n

A unidade padr\u00e3o para todas essas quantidades seria o efeito de Joule, por vezes, se expressa em calorias ou BTU.<\/p>\n

\u00c9 t\u00edpico de textos de qu\u00edmica para escrever a primeira lei como?<\/strong><\/p>\n

U = Q + W<\/strong><\/p>\n

\u00c9 a mesma lei, \u00e9 claro – a express\u00e3o termodin\u00e2mica do princ\u00edpio de conserva\u00e7\u00e3o do de energia. \u00c9 justo que W \u00e9 definido como o trabalho realizado sobre o sistema, em vez do trabalho realizado pelo sistema. <\/p>\n

No contexto da f\u00edsica, o cen\u00e1rio comum \u00e9 uma adi\u00e7\u00e3o de calor at\u00e9 um volume de g\u00e1s e com a expans\u00e3o do g\u00e1s que para fazer o trabalho, tal como no que empurra para baixo de um \u00eambolo num motor de combust\u00e3o interna. <\/p>\n

No \u00e2mbito de rea\u00e7\u00f5es qu\u00edmicas e de processo, ele pode ser mais comum de lidar com situa\u00e7\u00f5es em que o trabalho \u00e9 feito no sistema, em vez de por ela. <\/p>\n

Primeira Lei da Termodin\u00e2mica – F\u00edsica<\/h4>\n

A primeira lei da termodin\u00e2mica trata de um princ\u00edpio fundamental em f\u00edsica: <\/strong>a conserva\u00e7\u00e3o de energia. No entanto, como os processos termodin\u00e2micos, al\u00e9m do trabalho mec\u00e2nico, tamb\u00e9m envolvem trocas de calor, esse princ\u00edpio foi ampliado e foi introduzido o conceito de energia interna de um sistema. A energia interna ser\u00e1 representada pela letra U. <\/p>\n

A energia interna de um sistema pode ser entendida como a soma da energia cin\u00e9tica de todas as part\u00edculas que constituem o sistema somada com a sua energia potencial total, devido \u00e0 intera\u00e7\u00e3o entre elas.<\/p>\n

\n

Essa lei de conserva\u00e7\u00e3o de energia \u00e9 considerada como o exemplo mais claro de descoberta simult\u00e2nea, sendo anunciada por quatro cientistas europeus entre 1842 e 1847:<\/strong> Mayer, Joule, Colding e Helmholtz. Al\u00e9m desses, muitos outros, norteados pelos estudos de motores t\u00e9rmicos, contribu\u00edram para que as ideias de convers\u00e3o entre energia mec\u00e2nica e t\u00e9rmica fossem amadurecidas. O fato \u00e9 que esses cientistas, aparentemente, sem terem conhecimento uns dos outros, apresentaram ideias com o mesmo eixo unificador centrado na conserva\u00e7\u00e3o de energia.<\/p>\n<\/blockquote>\n

Da mesma forma como acontece para a energia potencial gravitacional de um corpo, a varia\u00e7\u00e3o da energia interna \"Primeira depende apenas dos estados inicial e final dessa energia. <\/p>\n

Como veremos neste Cap\u00edtulo, a primeira lei da termodin\u00e2mica nos d\u00e1 uma rela\u00e7\u00e3o para encontrar \"Primeira a partir do calor transferido e do trabalho realizado. Com isso \u00e9 poss\u00edvel definir um valor espec\u00edfico de U para um estado de refer\u00eancia e dessa forma encontrar a energia em qualquer outro estado.<\/p>\n

O estado termodin\u00e2mico de um fluido homog\u00eaneo (l\u00edquido ou g\u00e1s) \u00e9 descrito pela sua press\u00e3o (P), volume (V) e temperatura (T), sendo que ele fica inteiramente determinado por um par dessas vari\u00e1veis:<\/strong> (PV), (PT) ou (VT), ficando assim determinada a temperatura, volume e press\u00e3o, respectivamente.<\/p>\n

Um sistema termodin\u00e2mico \u00e9 caracterizado por ser capaz de realizar trocas de energia com sua vizinhan\u00e7a, ou seja, ele interage com o meio ambiente em sua volta. Isso pode ocorrer atrav\u00e9s de transfer\u00eancia de calor ou realiza\u00e7\u00e3o de trabalho.<\/p>\n

Equivalente mec\u00e2nico de caloria<\/h4>\n

A rela\u00e7\u00e3o entre energia mec\u00e2nica e calor foi estabelecida por Joule em meados do s\u00e9culo XIX, estudando o aquecimento da \u00e1gua quando a mesma era mexida por um agitador, como ilustrado na figura abaixo. Ele utilizou um recipiente contendo \u00e1gua e constitu\u00eddo de paredes adiab\u00e1ticas, e o movimento das p\u00e1s era controlado pelo trabalho de subida e descida das massas conectadas ao eixo de giro, permitindo dessa forma calcular o trabalho realizado pelas p\u00e1s.<\/p>\n

\"Primeira
\n Esbo\u00e7o do esquema utilizado por Joule para determinar o equivalente mec\u00e2nico de caloria.
\n Consiste de um recipiente com paredes adiab\u00e1ticas contendo \u00e1gua, constitu\u00eddo de p\u00e1s girat\u00f3rias para agitar a \u00e1gua<\/strong><\/p>\n

As paredes adiab\u00e1ticas n\u00e3o permitem troca de calor com o meio externo, constituindo um sistema termicamente isolado.<\/p>\n

Joule verificou que o aumento da temperatura era proporcional ao trabalho realizado, sendo que eram necess\u00e1rios 4,186 Joules para aumentar a temperatura de 1,0 grama de \u00e1gua de 14,5\u00b0C para 15,5\u00b0C, o que equivale a 1,0 caloria, ent\u00e3o estabeleceu-se a rela\u00e7\u00e3o: <\/strong>1,0 cal = 4,186 J.<\/p>\n

Al\u00e9m disso, Joule mostrou por m\u00e9todos diferentes que a mesma quantidade de trabalho era necess\u00e1ria para ter o mesmo efeito na temperatura. Um outro m\u00e9todo foi utilizar uma resist\u00eancia el\u00e9trica para aquecer a \u00e1gua (\u00e9 isso que acontece num chuveiro el\u00e9trico). Nesse caso, o gerador de corrente que alimenta a resist\u00eancia \u00e9 que realiza o trabalho sobre o sistema.<\/p>\n

No Sistema Internacional de medidas (SI) adota-se o Joule como unidade b\u00e1sica de energia, inclusive para o calor.<\/p>\n

Vamos estudar agora algumas formas de transfer\u00eancia de energia entre um sistema e sua vizinhan\u00e7a, e como isso interfere na energia interna desse sistema.<\/p>\n

Trabalho adiab\u00e1tico<\/h4>\n

Vamos considerar um g\u00e1s em equil\u00edbrio termodin\u00e2mico num recipiente de paredes adiab\u00e1ticas com um pist\u00e3o m\u00f3vel. Esse g\u00e1s \u00e9 descrito pela sua press\u00e3o inicial (Pi)e seu volume inicial (Vi). Quando \u00e9 realizado um trabalho sobre o sistema, que pode ser atrav\u00e9s da coloca\u00e7\u00e3o de um corpo de massa m<\/strong> sobre o pist\u00e3o, o sistema tende para uma nova posi\u00e7\u00e3o final de equil\u00edbrio com (Pi) e (Vi). (ver figura abaixo). <\/p>\n

\u00c9 importante lembrar que as leis da termodin\u00e2mica podem ser aplicadas apenas nas situa\u00e7\u00f5es de equil\u00edbrio termodin\u00e2mico, portanto os par\u00e2metros do estado final podem ser considerados apenas ap\u00f3s esse estado ter atingido o equil\u00edbrio. Sabemos que isso n\u00e3o ocorre durante o deslocamento do pist\u00e3o pela a\u00e7\u00e3o da for\u00e7a de contato do corpo com o pist\u00e3o, onde ocorrem movimentos turbulentos no g\u00e1s, portanto esses estados intermedi\u00e1rios n\u00e3o s\u00e3o de equil\u00edbrio.<\/p>\n

Mais adiante veremos que a condi\u00e7\u00e3o de equil\u00edbrio dos estados intermedi\u00e1rios \u00e9 necess\u00e1ria para que se possa obter uma curva num diagrama PV<\/em>, tornando o processo revers\u00edvel.<\/p>\n

\"Primeira
\n Ilustra\u00e7\u00e3o de uma compress\u00e3o adiab\u00e1tica de um g\u00e1s atrav\u00e9s da coloca\u00e7\u00e3o de um corpo de massa m sobre um pist\u00e3o m\u00f3vel:
\n (a) estado de equil\u00edbrio inicial, antes de colocar a massa, descrito por (Pi) e (Vi), e
\n (b) estado de equil\u00edbrio final, depois de colocada a massa, descrito por (Pf) e (Vf).<\/strong><\/p>\n

Na nova configura\u00e7\u00e3o de equil\u00edbrio (Pf ,Vf), percebemos que o volume foi reduzido e com isso a press\u00e3o interna deve ter aumentado. Diz-se que nesse processo foi realizado um trabalho adiab\u00e1tico sobre o sistema, pois n\u00e3o houve troca de calor. Esse trabalho, por sua vez, produz um aumento da energia interna do sistema, que reflete num aumento da temperatura do g\u00e1s, pelo fato de as paredes n\u00e3o permitirem fuga de calor (como no caso do experimento de Joule).<\/p>\n

Da mesma forma, se o corpo de massa m<\/strong> fosse removido no exemplo (b) da figura acima, o g\u00e1s iria expandir-se at\u00e9 uma nova posi\u00e7\u00e3o de equil\u00edbrio, realizando trabalho sobre o pist\u00e3o e resultando no seu movimento. Nesse caso, diria-se que o sistema realizou trabalho, causando uma diminui\u00e7\u00e3o da energia interna do g\u00e1s.<\/p>\n

A partir dessas considera\u00e7\u00f5es, podemos definir:<\/strong><\/p>\n

\"Primeira<\/p>\n

ou seja, em um sistema termicamente isolado a varia\u00e7\u00e3o da energia interna \"Primeira \u00e9 igual ao trabalho realizado do estado inicial ao estado final \"Primeira.<\/p>\n

O sinal negativo aparece por defini\u00e7\u00e3o hist\u00f3rica do estudo de m\u00e1quinas t\u00e9rmicas onde padronizou-se que o trabalho \u00e9 positivo (W > 0) quando o mesmo \u00e9 realizado pelo sistema, e negativo (W < 0) quando \u00e9 realizado sobre o sistema. Assim, como o trabalho realizado pelo sistema diminui a energia interna, coloca-se o sinal negativo.<\/p>\n

Essa padroniza\u00e7\u00e3o hist\u00f3rica est\u00e1 associada \u00e0 ideia de trabalho \u00fatil (que pode ser aproveitado) no estudo de m\u00e1quinas t\u00e9rmicas. Por exemplo, numa m\u00e1quina a vapor, como uma locomotiva, quando a \u00e1gua \u00e9 transformada em vapor pela absor\u00e7\u00e3o de calor da caldeira o volume aumenta e, com isso, empurra o pist\u00e3o realizando o trabalho necess\u00e1rio para mover a alavanca que faz girar as rodas. Ou seja, a expans\u00e3o do sistema gerou trabalho, e esse trabalho ent\u00e3o foi considerado positivo. Mais adiante veremos que a mesma ideia \u00e9 utilizada para definir como positiva uma quantidade de calor que \u00e9 transferida a um sistema termodin\u00e2mico, pois essa energia transferida tamb\u00e9m pode ser convertida em trabalho \u00fatil. <\/p>\n

A for\u00e7a que as mol\u00e9culas do g\u00e1s exercem sobre as paredes de um recipiente est\u00e1 relacionada com as colis\u00f5es moment\u00e2neas das mol\u00e9culas com a parede. O trabalho na mec\u00e2nica, por sua vez, est\u00e1 associado com um deslocamento durante a aplica\u00e7\u00e3o de uma for\u00e7a. Assim, o trabalho \u00e9 identificado apenas quando ocorre um deslocamento da parede, que \u00e9 observado no caso do pist\u00e3o do exemplo anterior.<\/p>\n

Considerando A como sendo a \u00e1rea do pist\u00e3o, a for\u00e7a F sobre ele pode ser expressa por:<\/strong><\/p>\n

F = PA<\/strong><\/p>\n

onde P \u00e9 a press\u00e3o que o g\u00e1s exerce sobre o pist\u00e3o. <\/p>\n

Dessa forma, para um deslocamento infinitesimal dx, o trabalho relativo a essa for\u00e7a \u00e9:<\/strong><\/p>\n

\"Primeira<\/p>\n

mas \"Primeira, que representa uma pequena varia\u00e7\u00e3o de volume, ent\u00e3o:<\/strong><\/p>\n

\"Primeira<\/strong><\/p>\n

A nota\u00e7\u00e3o \"Primeira \u00e9 utilizada para identificar que \"Primeira representa apenas uma quantidade infinitesimal de trabalho, n\u00e3o sendo uma diferencial exata, ou seja, a partir da integra\u00e7\u00e3o da equa\u00e7\u00e3o 4.4 obtemos apenas uma quantidade de trabalho realizado entre o estado inicial e final, mas jamais poderemos determinar quanto \u00e9 o trabalho inicial (Wi)ou o trabalho final (Wf). Na verdade, assim como o calor, o trabalho n\u00e3o \u00e9 uma propriedade do sistema. <\/p>\n

Como veremos mais adiante, isso est\u00e1 relacionado com o fato que o trabalho n\u00e3o \u00e9 uma fun\u00e7\u00e3o de estado termodin\u00e2mico e, portanto, o trabalho realizado depende do tipo de processo (se adiab\u00e1tico, se isot\u00e9rmico etc.). <\/p>\n

Dessa forma, para uma varia\u00e7\u00e3o finita de (Vi) at\u00e9 (Vf), o trabalho \u00e9 dado pela integral da equa\u00e7\u00e3o nestes limites:<\/strong><\/p>\n

\"Primeira<\/p>\n

Em geral, a press\u00e3o do sistema pode variar durante a varia\u00e7\u00e3o do volume, portanto para calcular o trabalho a partir da equa\u00e7\u00e3o 4.5 \u00e9 necess\u00e1rio conhecer o caminho entre os estados (Vi) e(Vf), ou seja, conhecer a fun\u00e7\u00e3o P = P(V)<\/strong><\/p>\n

Fonte: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu\/chemistry.osu.edu\/www.fsc.ufsc.br<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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