Primeira Lei da Termodinâmica

A Primeira Lei da Termodinâmica se ocupa daquilo que é necessário para que trabalho seja transformado em calor.

Tem como fundamento o princípio da conservação de energia, que é um dos princípios mais importantes da Física.

Essa conservação de energia acontece sob as formas de calor e de trabalho. Ela faz com que um sistema possa conservar e transferir energia, ou seja, a energia pode sofrer aumento, diminuição ou permanecer constante.

A Primeira Lei da Termodinâmica é expressa pela fórmula

Q = τ + ΔU

Onde,

Q: calor
τ: trabalho
ΔU: variação da energia interna

Desta forma, seu fundamento é: o calor (Q) resulta da soma de trabalho (τ) com a variação da energia interna (ΔU).

Ela também pode ser encontrada da seguinte forma:

ΔU = Q - W

Onde,

ΔU: variação da energia interna
Q: calor
W: trabalho

O fundamento resulta no mesmo: a variação da energia interna (ΔU) resulta do calor trocado com o meio externo menos o trabalho (W) realizado.

Isso quer dizer que,

1) quanto ao calor (Q):

• Se o calor trocado com o meio for maior do que 0, o sistema recebe calor.
• Se o calor trocado com o meio for menor do que 0, o sistema perde calor.
• Se não há troca de calor com o meio, ou seja, se ele é igual a 0, o sistema não recebe nem perde calor.

2) quanto ao trabalho (τ):

• Se o trabalho é maior do que 0, o volume de algo exposto ao calor é expandido.
• Se o trabalho é menor do que 0, o volume de algo exposto ao calor é reduzido.
• Se não há trabalho, ou seja, se ele é igual a 0, o volume de algo exposto ao calor é constante.

3) quanto à variação de energia interna (ΔU):

• Se a variação de energia interna é maior do que 0, há aumento de temperatura.
• Se a variação de energia interna é menor do que 0, há diminuição de temperatura.
• Se não há variação de energia interna, ou seja, se ela é igual a 0, a temperatura é constante.

Conclui-se que a temperatura pode ser aumentada com calor ou com trabalho.

Exemplo 1
Um sistema composto por um gás ideal confinado em um cilindro com um êmbolo, troca com o meio externo 500 J de calor por meio de uma expansão isotérmica, ou seja, mantendo constante a temperatura durante o processo.

Determine em Joules o trabalho trocado com o meio externo.

Resolução

A primeira Lei da termodinâmica diz que ΔU = Q - W

A variação da energia interna ΔU do sistema está relacionada com sua temperatura. Como a temperatura é constante, ΔU = 0 e a equação fica:

0 = Q - W
W = Q

Assim, o trabalho trocado foi de 500 J.

Exemplo 2
Em um sistema de aquecimento industrial um gás é comprimido ao mesmo tempo que recebe calor 100 J de calor. Se o trabalho recebido na compressão é de 400 J, determine a variação da energia interna do sistema.

Resolução

O sinal do trabalho é negativo, pois ele sofre trabalho.

W = - 400 J

O calor é positivo, pois o gás recebe os 100 J.

Substituindo os valores na primeira lei da termodinâmica, temos:

ΔU = Q - W
ΔU = 100 - ( - 400)
ΔU = 100 + 400
ΔU = 500 J

A variação da energia interna é de 500 J.

Leia também

• Termodinâmica
• Lei de Hess

Leis da Termodinâmica

As leis da termodinâmica são quatro. Além da primeira, da qual estamos tratando, há:

• Lei Zero da Termodinâmica - trata das condições para a obtenção do equilíbrio térmico;
• Segunda Lei da Termodinâmica - trata da transferência de energia térmica;
• Terceira Lei da Termodinâmica - trata do comportamento da matéria com entropia aproximada a zero.

Exercícios

1. (Ufla-MG) Numa transformação gasosa reversível, a variação da energia interna é de + 300 J. Houve compressão e o trabalho realizado pela força de pressão do gás é, em módulo, 200 J. Então, é verdade que o gás

a) cedeu 500 J de calor ao meio

b) cedeu 100 J de calor ao meio

c) recebeu 500 J de calor do meio

d) recebeu 100 J de calor do meio

e) sofreu uma transformação adiabática

2. (MACKENZIE-SP) Mantendo uma estreita abertura em sua boca, assopre com vigor sua mão agora! Viu? Você produziu uma transformação adiabática! Nela, o ar que você expeliu sofreu uma violenta expansão, durante a qual:

a) o trabalho realizado correspondeu à diminuição da energia interna desse ar, por não ocorrer troca de calor com o meio externo;

b) o trabalho realizado correspondeu ao aumento da energia interna desse ar, por não ocorrer troca de calor com o meio externo;

c) o trabalho realizado correspondeu ao aumento da quantidade de calor trocado por esse ar com o meio, por não ocorrer variação da sua energia interna;

d) não houve realização de trabalho, uma vez que o ar não absorveu calor do meio e não sofreu variação de energia interna;

e) não houve realização de trabalho, uma vez que o ar não cedeu calor para o meio e não sofreu variação de energia interna.

Para praticar:

Exercícios sobre termodinâmica (com respostas explicadas)

Exercícios sobre transformações cíclicas da termodinâmica (com gabarito)

Exercícios da primeira lei da termodinâmica