Discuta a sugestão de que o calor e o trabalho não são formas de energia, mas medidas da variação de energia.
Passo 1
O enunciado propõe refletir sobre a ideia de que o calor e o trabalho não seriam “formas de energia” armazenadas em um sistema, mas sim medidas de como a energia interna varia quando o sistema sofre uma transformação. Para discutir isso, vamos usar a Primeira Lei da Termodinâmica e o conceito de funções de estado versus funções de processo.
Passo 2
A Primeira Lei da Termodinâmica relaciona a variação da energia interna
com calor e trabalho trocados:
onde
é o calor recebido pelo sistema e
é o trabalho realizado pelo sistema sobre o ambiente. Aqui
é uma função de estado (depende apenas dos estados inicial e final), enquanto
e
são funções de processo (dependem do caminho da transformação).
Passo 3
Funções de estado têm diferencial exata: existe uma função
tal que
Já calor e trabalho não obedecem a isso: seus diferenciais são simbólicos (
,
), indicando que
num ciclo termodinâmico, mesmo que
. Isso mostra que
e
não são grandezas de estado, mas medidas de transferência de energia.
Passo 4
Exemplo prático: imagine um gás ideal que se expande de
a
. Se a expansão for isotérmica, ele absorve calor
e faz trabalho
, satisfazendo
Se a mesma variação de volume for adiabática,
e o trabalho
provém totalmente da diminuição de
. Em ambas as rotas, a variação
é a mesma função de estado, mas
e
mudam conforme o processo.
Passo 5
Como calor e trabalho dependem do caminho, eles não podem ser “armazenados” em um sistema: não existe “quantidade de calor contida” numa certa condição de equilíbrio. O que existe é a energia interna
. Calor e trabalho são, portanto, medidas de quanta energia interna foi transferida para ou de um sistema durante um processo.
Resposta
Calor e trabalho não são formas de energia no sistema, mas sim formas de medir a variação da energia interna (
) quando o sistema troca energia com o ambiente em diferentes processos.