Primeira E Segunda Lei Da Termodinamica

Primeira lei da termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica é uma versão da lei de conservação da energia. Também conhecido como Princípio de Joule, este postulado admite que diversas formas de trabalho podem ser convertidas umas nas outras., elucidando que a energia total transferida para um sistema é igual à variação de sua energia interna, ou seja, em todo processo natural, a energia do universo se conserva sendo que a energia do sistema quando isolado é constante. Observa-se também a equivalência entre trabalho e calor, onde constatou-se que a variação Q - W é a mesma para todos os processos termodinâmicos.

Descrição

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.

A primeira declaração explícita da primeira lei da termodinâmica, dada por Rudolf Clausius em 1850, refere-se a processos termodinâmicos cíclicos. Sempre que trabalho for produzido pelo órgão gerador de calor, certa quantidade desta energia é consumida, que é proporcional ao trabalho realizado; por outro lado, por o gasto de uma quantidade igual de trabalho a mesma quantidade de calor é produzida.

Clausius descreveu a primeira lei de outra forma, referindo-se a existência de uma função do estado do sistema chamada energia interna (U), expressa em termos de uma equação diferencial para os estados de um processo termodinâmico. Esta equação pode ser traduzido em palavras como se segue:

"Em um processo termodinâmico fechado, a alteração da energia interna do sistema é igual à diferença entre o alteração do calor acumulado pelo sistema e da alteração do trabalho realizado".

A energia interna é a soma das energias cinética e potencial de todas as partículas que constituem este sistema. Por esta razão, é considerada uma propriedade do sistema, depende somente do estado inicial e estado final do processo. Ainda, quanto maior a taxa de calor que está sendo transferida a determinado sistema, maior será sua energia interna. Assim, temos:

, quando o sistema recebe calor

, quando o sistema perde calor

Desta forma, quanto maior a energia interna de um sistema, maior será seu potencial para a realização de trabalho, sendo que convenciona-se que W>0, quando o sistema se expande e perde energia para o meio externo e W<0, quando o sistema se contrai e recebe energia do meio externo.

Termodinamicamente, se o estado de um sistema muda, então ele está passando por um processo. A sucessão de estados através da qual passa o sistema define o caminho do processo. Se, no final do processo, as propriedades tiverem regressado aos seus valores iniciais, o sistema foi submetido a um processo cíclico. A equação que descreve a relação entre a pressão, volume e temperatura é dada por

onde: é o número de mols e é a constante universal dos gases, R = 8,31 J/mol.K

Formulação Matemática

Mudanças no estado de um sistema são produzidas pela interação com o ambiente através de calor e trabalho. A Lei zero da termodinâmica define temperatura, enquanto a Primeira Lei define a função de estado Energia Interna. Podemos simplificar dizendo que existe uma função (energia interna) cuja variação durante uma transformação depende unicamente de dois estados, o inicial e o final. Num sistema fechado a indicação desta variação é dada como:

Na equação acima, convencionou-se Q positivo quando é acrescida energia ao sistema e negativo quando retirada; do mesmo modo, a energia interna diminui se for cedida energia para a vizinhança sob a forma de trabalho W, ou seja, se o sistema realizar trabalho.

• Para o cálculo de trabalho (W)

onde, F = pressão (p) . área (A)

onde p é a pressão e dV, volume na forma infinitesimal.

Pelo cálculo da integral,

=

• Para o cálculo do calor (Q)

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

Quando a mudança de estado físico, temos

onde, m é massa e L é calor de transformação (específico a cada substância)

Podemos transferir energia para dentro ou para fora do sistema, seja sob forma de calor ou pela forma de 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:

=

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

=

Casos Especiais

Processos Adiabáticos: Processo em que não há troca de calor com o meio externo, . A variação da energia interna se deve ao trabalho pelo sistema. Exemplo: desodorante aerosol e champagne.

• Processos a Volume Constante: Também chamado processo isométrico, o sistema não realiza trabalho, W = 0. A variação da energia interna depende da diferença de temperatura.

• 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 se desloca no sentido horário e -W