Primeira Lei Da Termodinâmica

SLIDES

introdução

A liberação de energia pode ser usada para promover calor quando um combustível queima em um forno, para produzir trabalho mecânico quando um combustível queima em um motor e para produzir trabalho elétrico quando uma reação química joga elétrons através de um circuito. Em química, encontramos reações que podem promover calor ou trabalho, reações que liberam energia de maneira difícil de controlar mas que dão produtos que necessitamos e reações que constituem o processo da vida. A termodinâmica, o estudo das transformações de energia, nos permite discutir todos esses assuntos de maneira quantitativa e fazer previsões úteis.

Para os propósitos da físico-química, o universo é dividido em duas partes, o sistema e suas vizinhanças. O sistema é a parte deste universo onde temos interesse. Pode ser um reator, um motor, uma célula eletroquímica, uma célula biológica, etc. As vizinhanças são onde fazemos as medições.

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O tipo de sistema depende das características da fronteira que o separa das vizinhanças. Se a matéria pode atravessar a fronteira entre sistema e vizinhanças, o sistema é classificado como aberto. Se a matéria não pode passar pela fronteira o sistema é classificado como fechado. Mas ambos estes sistemas podem trocar energia com suas vizinhanças. Por exemplo, um sistema fechado pode expandir e erguer um peso e também pode transferir energia se as vizinhanças estiverem a uma temperatura mais baixa. Um sistema isolado é fechado, e não realiza trabalho mecânico ou tem contato térmico com suas vizinhanças.

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Trabalho, Calor e Energia

Uma propriedade física fundamental na termodinâmica é o trabalho: o trabalho é feito quando um objeto é movimentado contra uma força oposta a esse movimento. É equivalente à mudança de altura de um peso em algum lugar nas vizinhanças. Um exemplo de realização de trabalho é a expansão de um gás que empurra um pistão e eleva um peso. Uma reação química que fornece uma corrente elétrica para uma resistência também realiza trabalho, porque essa mesma corrente pode ser utilizada em um motor e ser usada para levantar o peso.

A energia de um sistema é a capacidade de realizar trabalho. Quando um trabalho é realizado em um sistema isolado (por exemplo, comprimindo-se um gás ou apertando um êmbolo), sua capacidade de realizar trabalho é aumentada. Quando o sistema realiza trabalho (quando o pistão se afasta ou o êmbolo volta à posição original), sua energia é reduzida porque agora ele pode realizar menos trabalho que antes.

Experimentos demonstram que a energia de um sistema (sua capacidade de realizar trabalho) pode ser alterada de maneiras diferentes que realizando trabalho. Quando a energia de um sistema muda como resultado da diferença de temperatura entre ele e suas vizinhanças dizemos que aquela energia foi transferida na forma de calor. Quando um aquecedor é emergido em um béquer com água (o sistema), a capacidade do sistema realizar trabalho aumenta porque a água quente pode ser usada para realizar mais trabalho que a água fria. Mas nem todas as fronteiras permitem a transferência de energia, mesmo que efetivamente exista uma diferença entre o sistema e suas vizinhanças. Uma fronteira que permite a transferência de energia na forma de calor (como aço e vidro) é chamada de diatérmica. Uma fronteira que não permite a transferência de energia térmica é chamada de adiabática.

Um processo que libera energia como calor é chamado de exotérmico. Todas as reações de combustão são exotérmicas. Os processos que absorvem energia térmica são chamados de endotérmicos. Um exemplo de um processo endotérmico é a vaporização da água. Um processo endotérmico em um recipiente diatérmico resulta na transferência de energia para o sistema na forma de calor. Um processo exotérmico em um recipiente diatérmico similar resulta na liberação de energia térmica para as vizinhanças. Quando um processo endotérmico ocorre em um recipiente adiabático ocorre o abaixamento da temperatura do sistema; um processo exotérmico promove um aumento de temperatura.

Primeira Lei da Termodinâmica

A energia interna U de um sistema é a soma das energias cinéticas e das

energias potenciais de todas as partículas que formam esse sistema e, como tal, é

uma propriedade do sistema. Isto significa que qualquer variação _U na energia

interna só depende do estado inicial e do estado final do sistema na transformação

considerada. Além disso:

• Se um sistema troca energia com a vizinhança por trabalho e por calor, então

a variação da sua energia interna é dada por:

_U = Q − W

Este é o enunciado da primeira lei da Termodinâmica. Esta lei representa a

aplicação do princípio de conservação da energia a sistemas que podem trocar

energia com a vizinhança por calor e por trabalho.

Nesta expressão, W representa a quantidade de energia associada ao trabalho

do sistema sobre a vizinhança e, por isso:

• W > 0 quando o sistema se expande e perde energia para a vizinhança.

• W < 0 quando o sistema se contrai e recebe energia da vizinhança.

Além disso, Q representa a quantidade de energia associada ao calor da

vizinhança para o sistema e, por isso:

• Q > 0 quando a energia passa da vizinhança para o sistema.

• Q < 0 quando a energia passa do sistema para a vizinhança.

Embora _U só dependa do estado inicial e do estado final do sistema porque

representa a variação da sua energia interna, as quantidades de energia W e Q

dependem, também, do processo que leva o sistema do estado inicial ao estado final.

Para discutir essa propriedade importante da energia interna vamos considerar uma

amostra de gás que é levada do estado 1 para o estado