Conteúdo: Primeira lei da termodinâmica.
A primeira lei da termodinâmica constitui-se no princípio da conservação de energia. Isso significa que o valor da energia de um sistema é constante, não podendo ser criada ou destruída, apenas transformada. Apesar de válida para qualquer sistema, vamos aplicá-la ao estudo do comportamento dos gases ideais. A primeira lei da termodinâmica estabelece que:
A variação da energia interna ΔU de um gás ideal é obtida pela diferença entre a quantidade de calor Q recebido do ambiente exterior ou fornecida para ele e o trabalho W realizado nesse processo.
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Estas fórmulas representam a primeira lei da termodinâmica, onde:
ΔU = variação de energia interna. A energia interna é a soma de todas as modalidades de energia que um sistema possui em seu interior que está associada com os seus constituintes microscópicos (átomos e moléculas);
Q = quantidade de calor recebido de um ambiente externo ou cedido para o ambiente;
W = trabalho realizado pelo sistema ou sobre o sistema.
A variação de energia interna (ΔU), a quantidade de calor (Q) e o trabalho (W) são dados em joule (J) pelo Sistema Internacional de Unidades, mas comumente são dados em calorias.
Um exemplo da primeira lei da primeira da termodinâmica está representado na situação proposta pela figura acima, em que um gás ideal em um recipiente isolado está sendo aquecido por uma fonte externa. Na parte superior, há um êmbolo livre. De acordo com o modelo cinético-molecular, a chama fornece certa quantidade de calor Q, que é transferida para as moléculas do gás, fazendo aumentar sua velocidade para que, assim, haja um acréscimo da energia cinética. Com isso macroscopicamente, pode-se observar um aumento de temperatura. O aumento dessa energia cinética ocasiona a realização de trabalho W sobre o êmbolo, visto que as moléculas do gás colidirão mais intensamente com as moléculas do êmbolo, deslocando-o para cima. Desta forma, a energia da chama é convertida em aumento da energia interna e em trabalho para deslocar o êmbolo.
Esse aumento da energia interna será exatamente a diferença entre a energia fornecida na forma de calor pela chama e a energia gasta na forma de trabalho para deslocar o êmbolo. No que se refere à conservação de energia, verifica-se, na situação ilustrada, que tanto a variação positiva da energia interna – observada macroscopicamente pelo aumento da temperatura – quanto a realização do trabalho sobre o êmbolo somente ocorreram porque foi fornecida uma quantidade de calor pela chama. Essa quantidade de calor pode ser calculada por Q = ΔU + W.
Exemplo: Um gás ideal contido em um sistema de cilindro e êmbolo recebe uma quantidade de calor igual a 5 000 calorias e tem aumento da energia interna de 1 500 calorias. Calcule o trabalho realizado pelo sistema.
Resolução:
Q = 5 000 cal
ΔU = 1 500 cal
O calor é transmitido do meio para o gás, portanto Q é positivo: Q = + 5 000 cal
A energia interna sofreu variação positiva: ΔU = + 1 500 cal
Aplicamos a primeira lei da termodinâmica:
ΔU = Q – W
+ 1 500 = + 5 000 – W
W = + 5000 – 1 500
W = + 3 500 cal
Interpretando: Como estamos estudando a primeira lei da termodinâmica, a variação de energia interna (ΔU) de um sistema depende do ganho ou perda de calor (Q), e da realização de trabalho pelo sistema ou sobre o sistema (W). No caso da questão resolvida, observamos que, mesmo com um ganho de 5 000 calorias na forma de calor, a energia interna do sistema aumentou em apenas 1 500 calorias, então podemos concluir que, houve uma perda de 3 500 calorias na forma de trabalho realizado pelo sistema.
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https://brasilescola.uol.com.br/fisica/primeira-lei-da-termodinamica.htm.
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