Diferencie calor e trabalho. Como estas formas de energia e a energia interna de um sistema descrevem a 1{ }^{\text {a }} Lei da Termodinâmica?

Passo 1

O enunciado pede para diferenciarmos calor e trabalho e mostrar como essas duas formas de energia, juntamente com a energia interna de um sistema, estão relacionadas pela 1ª Lei da Termodinâmica. O conteúdo é Termodinâmica clássica; vamos precisar dos conceitos de função de estado, diferencial exato/inexato e conservação de energia.

Passo 2

Calor é a energia que atravessa a fronteira de um sistema devido a uma diferença de temperatura entre o sistema e suas vizinhanças. É uma função de processo (não é estado do sistema) e representa uma transferência energética que depende do caminho. Em notação, escrevemos a quantidade de calor trocada como \delta Q, indicando que não se trata de diferença de uma função de estado.

Passo 3

Trabalho é a energia transferida através de forças macroscópicas que atuam sobre a fronteira do sistema. Para processos quasiestáticos envolvendo expansão ou compressão de gás, o trabalho é
\delta W = P\,\mathrm{d}V
onde P é a pressão de contorno e \mathrm{d}V a variação infinitesimal de volume. Assim como o calor, o trabalho é uma função de processo e depende do caminho.

Passo 4

Energia interna, denotada por U, é a soma de todas as energias microscópicas (cinética e potencial das moléculas) contidas no sistema. É função de estado, isto é, depende apenas do estado atual do sistema (por exemplo, U=U(T,V) para um gás ideal).

Passo 5

A 1ª Lei da Termodinâmica expressa a conservação da energia para sistemas fechados e diz que a variação da energia interna é igual à energia recebida na forma de calor menos a energia cedida na forma de trabalho. Em diferencial:
\mathrm{d}U = \delta Q - \delta W.
Esse balanço mostra que toda energia que entra como calor pode ir para aumentar U ou sair como trabalho.

Passo 6

Interpretando a fórmula:
- Se \delta Q>0, o sistema absorve calor e tende a aumentar sua energia interna.
- Se \delta W>0 (expansão), o sistema realiza trabalho cedendo energia, o que diminui U.
- Caso o trabalho seja sobre o sistema \delta W<0, isso também aumenta U.

Resposta

A 1ª Lei da Termodinâmica para um sistema fechado é
\Delta U = Q - W,
onde Q é o calor trocado \delta Q com as vizinhanças e W é o trabalho realizado pelo sistema \delta W.

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