Primeira lei da termodinâmica

 Pontos principais

Energia interna

Calor

Trabalho

Introdução

Muitas usinas e motores operam transformando energia térmica em trabalho. Isso porque um gás aquecido pode realizar trabalho em turbinas mecânicas ou pistões, fazendo com que eles se movam.

A primeira lei da termodinâmica aplica o princípio de conservação de energia a sistemas em que a transferência de energia para dentro e para fora do sistema se dá pela transferência de calor e pela realização de trabalho.

A primeira lei da termodinâmica diz que a variação na energia interna de um sistema (ΔU) é igual à transferência de calor resultante para dentro e para fora do sistema (Q), mais o trabalho resultante realizado no sistema (W). Na forma de equação, a primeira lei da termodinâmica é,

ΔU = Q + W

Ela simplesmente diz que você pode aumentar a energia interna de um sistema aquecendo-o ou realizando trabalho nele.

O que significa cada um desses termos?

Nada exemplifica a primeira lei da termodinâmica tão bem quanto um gás preso em um recipiente com um pistão móvel encaixado firmemente (como mostrado na Figura 1). Vamos considerar que o pistão possa se mover para cima e para baixo, comprimindo o gás ou permitindo que ele se expanda (mas o gás não pode sair do recipiente).

As moléculas de gás presas no recipiente são o sistema. Atente que elas se movimentam, possuindo energia cinética e temperatura maior do que o zero absoluto ou 0K.

A energia interna U desse sistema pode ser pensada como a soma de todas as energias cinéticas de todas as moléculas de gás presas dentro do recipiente. Assim, se a temperatura T do gás aumenta, as moléculas aumentam sua velocidade e a energia interna U do gás também aumenta (o que significa que ΔU é positivo).

Da mesma forma, se a temperatura T do gás diminui, as moléculas diminuem sua velocidade, e a energia interna U do gás também diminui (o que significa que ΔU é negativo).

É realmente importante lembrar que a energia interna U e a temperatura T aumentarão quando a velocidade das moléculas de gás aumentar, já que elas são, na verdade, duas maneiras de medir a mesma coisa: quanta energia há em um sistema.

Como a temperatura e a energia interna são diretamente proporcionais, temos que, se a energia interna dobrar de valor, a temperatura também dobrará.

Da mesma forma, se a temperatura não alterar seu valor, a energia interna também não irá variar.

A energia interna U desse sistema e sua temperatura podem ser aumentadas pela transferência de calor Q para o gás. Para fazer isso, basta colocar o recipiente sobre uma chama ou submergi-lo em água fervendo.

A alta temperatura do ambiente externo, em relação às paredes e ao interior do recipiente, fará com que o calor flua para o interior e aqueça o gás, fazendo com que suas moléculas se movam mais rápido. Quando o calor é absorvido e aquece o gás, Q é um número positivo.

Por outro lado, podemos diminuir a energia interna do gás transferindo calor para fora dele. Isso pode ser feito colocando o recipiente em um banho de gelo. Se o calor deixar o gás, Q será um número negativo.

Como o pistão pode se mover, ele pode realizar trabalho no gás, movendo-se para baixo e comprimindo o gás.

A colisão do pistão que se move para baixo com as moléculas de gás faz com que as moléculas se movam mais rápido, aumentando a energia interna total do sistema. Se o gás for comprimido, o trabalho realizado no gás W será um número positivo.