Diferencie calor e trabalho. Como estas formas de energia e a energia interna de um sistema descrevem 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
, 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
onde
é a pressão de contorno e
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
, 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,
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:
Esse balanço mostra que toda energia que entra como calor pode ir para aumentar
ou sair como trabalho.
Passo 6
Interpretando a fórmula:
- Se , o sistema absorve calor e tende a aumentar sua energia interna.
- Se (expansão), o sistema realiza trabalho cedendo energia, o que diminui
.
- Caso o trabalho seja sobre o sistema , isso também aumenta
.
- Se
- Se
- Caso o trabalho seja sobre o sistema
Resposta
A 1ª Lei da Termodinâmica para um sistema fechado é
onde
é o calor trocado
com as vizinhanças e
é o trabalho realizado pelo sistema
.