A primeira lei da termodinâmica

Sumario

1.Introdução 2

2.Primeira Lei da Termodinâmica 3

2.1 Conservação da Energia 3

2.2 Energia interna, quantidade de calor e trabalho. 4

2.3 Energia interna do gás ideal 7

2.3.1Gás ideal monoatômico 7

2.3.2Gás ideal poliatômico 8

3. Conclusão 10

4. Referências 11

1.Introdução

Termodinâmica é o ramo da física que estuda as leis que regem as relações entre trabalho, calor e energia térmica, geralmente tratada como a energia interna dos sistemas. A termodinâmica está preocupada com a modelagem matemática do mundo real, sendo que os conceitos centrais neste estudo servem para caracterizar um sistema termodinamicamente em equilíbrio, sendo que Pressão, Temperatura e Volume são variáveis mensuráveis macroscopicamente e determinam o estado de equilíbrio termodinâmico.

2.Primeira Lei da Termodinâmica

2.1 Conservação da Energia

A primeira lei da termodinâmica nada mais é que o princípio da conservação de energia e, apesar de ser estudado para os gases, pode ser aplicado em quaisquer processos em que a energia de um sistema é trocado com o meio externo na forma de calor e trabalho.

Quando fornecemos a um sistema certa quantidade de energia Q, esta energia pode ser usada de duas maneiras:

1. Uma parte da energia pode ser usada para o sistema realizar um trabalho (t), expandindo-se ou contraindo-se, ou também pode acontecer de o sistema não alterar seu volume (t = 0);

2. A outra parte pode ser absorvida pelo sistema, virando energia interna, ou seja, essa outra parte de energia é igual à variação de energia (ΔU) do sistema. Se a variação de energia for zero (ΔU = 0) o sistema utilizou toda a energia em forma de trabalho. ΔU= Q – t

Assim temos enunciada a primeira lei da termodinâmica: a variação de energia interna ΔU de um sistema é igual a diferença entre o calor Q trocado com o meio externo e o trabalho t por ele realizado durante uma transformação.

Aplicando a lei de conservação da energia, temos:

ΔU= Q – t à Q = ΔU + t

* Q à Quantidade de calor trocado com o meio:

Q > 0 à o sistema recebe calor;

Q < 0 à o sistema perde calor.

* ΔU à Variação da energia interna do gás:

ΔU > 0 à a energia interna aumenta, portanto, sua temperatura aumenta;

ΔU < 0 à a energia interna diminui, portanto, sua temperatura diminui.

* t à Energia que o gás troca com o meio sob a forma de trabalho:

t > 0 à o gás fornece energia ao meio, portanto, o volume aumenta;

t < 0 à o gás recebe energia do meio, portanto, o volume diminui.

2.2 Energia interna, quantidade de calor e trabalho.

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 2 por três processos

diferentes (Fig.51). Grupo de Ensino de Física da Universidade Federal de Santa Maria

A quantidade de energia associada ao trabalho realizado pelo sistema sobre a

vizinhança, no processo 1A2, é dada pela área sob a isóbara 1A, no processo 1B2, é

dada pela área sob a isóbara B2 e no processo 12, é dada pela área sob a curva

correspondente. Por isso, a quantidade de energia associada ao trabalho depende do