O Primeira Lei da Termodinâmica afirma que qualquer alteração vivenciada pela energia de um sistema advém do trabalho mecânico realizado, mais a troca de calor com o meio ambiente. Quer estejam em repouso ou em movimento, os objetos (sistemas) possuem energias diferentes, que podem ser transformadas de uma classe para outra por meio de algum tipo de processo..
Se um sistema está na imobilidade do laboratório e sua energia mecânica é 0, ele ainda possui energia interna, devido ao fato de que as partículas que o compõem experimentam continuamente movimentos aleatórios..
Os movimentos aleatórios das partículas, juntamente com as interações elétricas e em alguns casos as nucleares, constituem a energia interna do sistema e quando este interage com o seu ambiente surgem variações na energia interna..
Existem várias maneiras de fazer essas mudanças acontecerem:
- A primeira é que o sistema troca calor com o meio ambiente. Isso ocorre quando há uma diferença de temperatura entre os dois. Então, o que está mais quente cede o calor - uma forma de transferir energia - para o mais frio, até que as duas temperaturas se igualem, atingindo o equilíbrio térmico..
- Ao realizar um trabalho, seja o sistema o realiza, ou um agente externo o faz no sistema.
- Adicionando massa ao sistema (massa é igual a energia).
Seja U a energia interna, o saldo seria ΔU = U final - U inicial, por isso é conveniente atribuir sinais, que de acordo com o critério IUPAC (União Internacional de Química Pura e Aplicada) Eles são:
- Q e W positivos (+), quando o sistema recebe calor e trabalho feito sobre ele (a energia é transferida).
- Q e W negativos (-), se o sistema desiste de calor e funciona no meio ambiente (diminui a energia).
Índice do artigo
A primeira lei da termodinâmica é outra maneira de afirmar que a energia não é criada nem destruída, mas é transformada de um tipo para outro. Isso terá produzido calor e trabalho, que podem ser bem utilizados. Matematicamente, é expresso da seguinte forma:
ΔU = Q + W
Onde:
- ΔU é a variação da energia do sistema dada por: ΔU = Energia final - Energia inicial = UF - OUou
- Q é a troca de calor entre o sistema e o meio ambiente.
- W é o trabalho feito no sistema.
Em alguns textos, a primeira lei da termodinâmica é apresentada assim:
ΔU = Q - W
Isso não significa que se contradigam ou que haja um erro. Isso ocorre porque o trabalho W foi definido como o trabalho feito pelo sistema em vez de usar o trabalho feito no sistema, como na abordagem IUPAC.
Com este critério, a primeira lei da termodinâmica é afirmada desta forma:
Quando é transferido uma quantidade de calor Q para um corpo e este por sua vez realizar certo trabalho W, a variação em sua energia interna é dada por ΔU = Q - W.
Ser consistente com a escolha dos sinais e levar em consideração que:
C realizado no sistema = - W realizado pelo sistema
Ambos os critérios darão resultados corretos.
Tanto o calor quanto o trabalho são duas maneiras de transferir energia entre o sistema e seus arredores. Todas as quantidades envolvidas têm como unidade no Sistema Internacional o joule ou joule, abreviado J.
A primeira lei da termodinâmica fornece informações sobre a mudança na energia, não os valores absolutos da energia final ou inicial. Mesmo alguns deles podem ser considerados 0, porque o que conta é a diferença de valores.
Outra conclusão importante é que todo sistema isolado possui ΔU = 0, uma vez que não é capaz de trocar calor com o meio ambiente, e nenhum agente externo pode trabalhar nele, então a energia permanece constante. Uma garrafa térmica para manter seu café quente é uma aproximação razoável.
Portanto, em um sistema não isolado, ΔU é sempre diferente de 0? Não necessariamente, ΔU pode ser 0 se suas variáveis, que geralmente são pressão, temperatura, volume e número de moles, passarem por um ciclo em que seus valores inicial e final são iguais.
No ciclo de Carnot por exemplo, toda a energia térmica é convertida em trabalho aproveitável, uma vez que não contempla perdas por atrito ou viscosidade.
Quanto a U, a misteriosa energia do sistema, ela inclui:
- A energia cinética das partículas à medida que se movem e que vem das vibrações e rotações de átomos e moléculas.
- Energia potencial devido às interações elétricas entre átomos e moléculas.
- Interações do núcleo atômico, como dentro do sol.
A primeira lei afirma que é possível produzir calor e trabalhar fazendo com que a energia interna de um sistema mude. Uma das aplicações de maior sucesso é o motor de combustão interna, no qual é retirado um determinado volume de gás e sua expansão é utilizada para a realização de trabalhos. Outra aplicação bem conhecida é a máquina a vapor.
Os motores costumam fazer uso de ciclos ou processos nos quais o sistema parte de um estado inicial de equilíbrio para outro estado final, também de equilíbrio. Muitos deles ocorrem em condições que facilitam o cálculo de trabalho e calor da primeira lei.
Aqui estão modelos simples que descrevem situações comuns do dia a dia. Os processos mais ilustrativos são processos adiabáticos, isocóricos, isotérmicos, processos isobáricos, processos de caminho fechado e expansão livre. Neles, uma variável do sistema é mantida constante e, conseqüentemente, a primeira lei assume uma forma particular.
São aqueles em que o volume do sistema permanece constante. Portanto, nenhum trabalho é feito e com W = 0 permanece:
ΔU = Q
Nestes processos, a pressão permanece constante. O trabalho realizado pelo sistema é devido à mudança de volume.
Suponha um gás confinado em um recipiente. Uma vez que o trabalho W é definido como:
W = Força x deslocamento = F.Δl (válido para uma força constante paralela ao deslocamento).
E, por sua vez, a pressão é:
p = F / A ⇒ F = p.A
Ao substituir essa força na expressão do trabalho, resulta:
W = p. A. Δl
Mas o produto A. Δl é igual à mudança de volume ΔV, deixando o trabalho assim:
W = p ΔV.
Para um processo isobárico, a primeira lei assume a forma:
ΔU = Q - p ΔV
São aqueles que ocorrem a uma temperatura constante. Isso pode ocorrer colocando o sistema em contato com um reservatório térmico externo e fazendo com que a troca de calor seja muito lenta, de forma que a temperatura seja constante..
Por exemplo, o calor pode fluir de um reservatório quente para o sistema, permitindo que o sistema funcione, sem variação em ΔU. Então:
Q + W = 0
No processo adiabático não há transferência de energia térmica, portanto Q = 0 e a primeira lei se reduz a ΔU = W. Esta situação pode ocorrer em sistemas bem isolados e significa que a mudança de energia vem do trabalho realizado. sobre ele, de acordo com a convenção de signos em vigor (IUPAC).
Pode-se pensar que, como não há transferência de energia térmica, a temperatura permanecerá constante, mas nem sempre é o caso. Surpreendentemente, a compressão de um gás isolado resulta em um aumento em sua temperatura, enquanto na expansão adiabática a temperatura diminui.
Em um processo de caminho fechado, o sistema volta ao mesmo estado que estava no início, independentemente do que aconteceu nos pontos intermediários. Esses processos foram mencionados antes ao falar sobre sistemas não isolados.
Neles ΔU = 0 e, portanto, Q = W ou Q = -W de acordo com o critério de sinal adotado.
Os processos de caminho fechado são muito importantes porque são a base dos motores térmicos, como o motor a vapor..
finalmente, o expansão livre é uma idealização que ocorre em um recipiente termicamente isolado que contém um gás. O recipiente possui dois compartimentos separados por uma divisória ou membrana e o gás fica em um deles.
O volume do recipiente aumenta repentinamente se a membrana se rompe e o gás se expande, mas o recipiente não contém um pistão ou qualquer outro objeto a ser movido. Então o gás não funciona enquanto se expande e W = 0. Por ser isolado termicamente, Q = 0 e conclui-se imediatamente que ΔU = 0.
Portanto, a expansão livre não causa mudanças na energia do gás, mas paradoxalmente enquanto a expansão não está em equilíbrio.
- Um processo isocórico típico é o aquecimento de um gás em um recipiente hermético e rígido, por exemplo, uma panela de pressão sem válvula de escape. Desta forma, o volume permanece constante e se colocarmos tal recipiente em contato com outros corpos, a energia interna do gás muda apenas graças à transferência de calor devido a este contato..
- As máquinas térmicas realizam um ciclo em que retiram calor de um tanque térmico, convertendo quase tudo em trabalho, deixando uma parte para seu próprio funcionamento e o excesso de calor é despejado em outro tanque mais frio, que geralmente é o ambiente..
- Preparar molhos em uma panela descoberta é um exemplo diário de um processo isobárico, uma vez que o cozimento ocorre à pressão atmosférica e o volume do molho diminui com o tempo à medida que o líquido evapora..
- Um gás ideal em que ocorre um processo isotérmico mantém o produto de pressão e volume constantes: P. V = constante.
- O metabolismo dos animais de sangue quente permite que eles mantenham uma temperatura constante e realizem múltiplos processos biológicos, às custas da energia contida nos alimentos..
Um gás é comprimido a uma pressão constante de 0,800 atm, de forma que seu volume varia de 9,00 L a 2,00 L. No processo, o gás cede 400 J de energia por meio do calor. a) Encontre o trabalho realizado no gás eb) calcule a variação em sua energia interna.
No processo adiabático, fica satisfeito que Pou = PF, o trabalho feito no gás é W = P. ΔV, conforme explicado nas seções anteriores.
Os seguintes fatores de conversão são necessários:
1 atm = 101,325 kPa = 101,325 Pa.
1 L = 0,001 m3
Portanto: 0,8 atm = 81,060 Pa e ΔV = 9 - 2 L = 7 L = 0,007 m3
Substituindo os valores que você obtém:
W = 81060 Pa x 0,007 m3 = 567,42 J
Quando o sistema desiste de aquecimento, Q sinal é atribuído -, portanto, a primeira lei da Termodinâmica é a seguinte:
ΔU = -400 J + 567,42 J = 167,42 J.
Sabe-se que a energia interna de um gás é de 500 J e quando ele é comprimido adiabaticamente seu volume diminui em 100 cm.3. Se a pressão aplicada ao gás durante a compressão foi de 3,00 atm, calcule a energia interna do gás após a compressão adiabática.
Uma vez que a declaração informa que a compressão é adiabática, é verdade que Q = 0 Y ΔU = W, então:
ΔU = W = U final - OU inicial
Com U inicial = 500 J.
De acordo com os dados ΔV = 100 cm3 = 100 x 10-6 m3 Y 3 atm = 303975 Pa, portanto:
W = P. ΔV = 303975 Pa x 100 x 10-6 m3 = 30,4 J
OU final - OU inicial = 30,4 J
OU final = U inicial + 30,4 J = 500 J + 30,4 J = 530,4 J.
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