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
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.
Veja também:
Primeira Lei da Termodinâmica. Toda Matéria, [s.d.]. Disponível em: https://www.todamateria.com.br/primeira-lei-da-termodinamica/. Acesso em: