Explique detalhadamente a Primeira Lei da Termodinâmica, relacionando-a com os conceitos de: Trabalho termodinâmico (W); Calor (Q); Energia interna (U).
Passo 1
O enunciado pede para explicar a Primeira Lei da Termodinâmica, relacionando três conceitos fundamentais: o trabalho termodinâmico
, o calor
e a energia interna
. Vamos apresentar o contexto de sistemas termodinâmicos fechados, definir cada grandeza e mostrar como elas se encaixam na lei da conservação de energia.
Passo 2
Definimos a energia interna
de um sistema como a soma de todas as energias microscópicas (energias cinética e potencial das moléculas). É uma função de estado, ou seja, seu valor depende apenas das variáveis de estado (por exemplo, temperatura e volume), não do caminho percorrido para chegar até lá. Qualquer variação fica expressa por
Passo 3
O calor
é a energia transferida entre sistema e vizinhança devido a uma diferença de temperatura. Não é função de estado (depende do caminho de transferência). Adotamos a convenção:
– quando calor é recebido pelo sistema.
– quando calor é cedido pelo sistema.
–
–
Passo 4
O trabalho termodinâmico
é a energia transferida por ação mecânica (por exemplo, expansão ou compressão). Também é função de caminho. A convenção mais comum é:
– quando o sistema realiza trabalho sobre o ambiente (expansão).
– quando o sistema recebe trabalho do ambiente (compressão).
–
–
Passo 5
A Primeira Lei da Termodinâmica é simplesmente a expressão da conservação de energia para sistemas termodinâmicos fechados. Ela diz que a variação de energia interna é igual ao calor trocado menos o trabalho realizado pelo sistema:
Passo 6
Para ver por que
, pense que toda energia que entra ou sai via calor
ou trabalho
muda o conteúdo interno. Se o sistema recebe calor e não faz trabalho,
. Se faz trabalho sem trocar calor,
. Em processos gerais, somamos as duas contribuições.
Passo 7
Em forma diferencial, escrevemos
onde usamos
em vez de
para lembrar que
e
não são funções de estado. Para um ciclo termodinâmico completo (retorno ao estado inicial),
, logo
ou seja, o calor absorvido ao longo do ciclo é igual ao trabalho realizado.
Passo 8
Aplicações práticas da Primeira Lei incluem:
- Processo isotérmico
constante): implica . - Processo adiabático (
: . - Processo isocórico (
constante): implica .
Resposta
A Primeira Lei da Termodinâmica estabelece que, para um sistema fechado, a variação de energia interna
é dada pelo calor recebido
menos o trabalho realizado pelo sistema
: