Qual é a Primeira Lei da Termodinâmica?
A Primeira Lei da Termodinâmica é uma consequência direta do princípio de conservação da energia. De acordo com esse princípio, a energia total de um sistema sempre se mantém constante, já que ela não é perdida, mas sim, transformada.
No âmbito da Termodinâmica, utilizam-se noções mais específicas e menos genéricas que aquelas usadas no princípio da conservação da energia. Na Primeira Lei da Termodinâmica, usamos conceitos como energia interna, calor e trabalho, que são pertinentes ao âmbito das máquinas térmicas (aplicações tecnológicas de fundamental importância para a Termodinâmica).
As máquinas a vapor funcionam de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica.
Imagine uma máquina movida a vapor, quando o fluido de trabalho dessa máquina (o vapor d'água) recebe calor de uma fonte externa, duas conversões de energia são possíveis: o vapor pode ter a sua temperatura acrescida em alguns graus ou, ainda, pode expandir-se e mover os pistões dessa máquina, realizando, assim, certa quantidade de trabalho.
“A variação da energia interna de um sistema termodinâmico corresponde à diferença entre a quantidade de calor por ele absorvida e a quantidade de trabalho que esse sistema realiza.”
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Fórmula da Primeira Lei da Termodinâmica
A fórmula usada para descrever matematicamente a Primeira Lei da Termodinâmica é mostrada a seguir:
ΔU – variação de energia interna (cal ou J)
Q – calor (cal ou J)
τ – trabalho (cal ou J)
Para usarmos essa fórmula, precisamos nos atentar para algumas regras de sinais:
ΔU – será positivo, se a temperatura do sistema aumentar;
ΔU – será negativo, se a temperatura do sistema diminuir;
Q – será positivo, se o sistema absorver calor do meio externo;
Q – será negativo, se o sistema ceder calor ao meio externo;
τ – será positivo, se o sistema se expandir, realizando trabalho sobre o meio externo;
τ – será negativo, se o sistema se contrair, recebendo trabalho do meio externo.
Variação da energia interna
O termo ΔU refere-se à mudança de energia atribuída à energia cinética das partículas constituintes do sistema, no caso de um gás ideal, pode-se dizer que ΔU equivale a:
n – número de mols (mol)
R – constante universal dos gases ideais (0,082 atm.l/mol.K ou 8,31 J/mol.K)
T – temperatura absoluta (kelvin)
Analisando as fórmulas, pode-se perceber que, caso não ocorra uma mudança de temperatura no sistema, sua energia interna também permanecerá inalterada. Além disso, é importante dizer que para as máquinas térmicas, que operam em ciclos, a variação da energia interna, ao final de cada ciclo, deve ser nula, pois nesse ponto, o motor volta a operar com a temperatura inicial.
Veja também: Rendimento das máquinas térmicas: como se calcula?
Calor
Seguindo para o próximo termo, Q, que se refere à quantidade de calor transferida para o sistema, costumamos utilizar a equação fundamental da calorimetria, mostrada a seguir:
Q -calor (cal ou J)
m – massa (g ou kg)
c – calor específico (cal/gºC ou J/kg.K)
ΔT – variação de temperatura (celsius ou kelvin)
Trabalho
A última das grandezas relacionadas à Primeira Lei da Termodinâmica é o trabalho (τ), que tem uma fórmula analítica apenas para as transformações que ocorrem sob pressão constante, também conhecidas como transformações isobáricas, observe:
P – pressão (Pa ou atm)
ΔV – variação de volume (m³ ou l)
Quando a pressão exercida sobre o sistema não for constante, o trabalho poderá ser calculado pela área do gráfico de pressão em função do volume (P x V). Para saber mais sobre essa grandeza escalar, acesse: trabalho."
