Explique o significado dos termos e dê exemplos:
Lei da Termodinâmica
Passo 1
O enunciado pede para explicarmos a 1ª Lei da Termodinâmica, que é basicamente o princípio da conservação de energia aplicado a sistemas termodinâmicos. Para isso, vamos precisar definir três termos fundamentais: a variação da energia interna
, o calor
e o trabalho
.
Passo 2
Definimos a energia interna
de um sistema como a soma de todas as energias microscópicas das suas partículas (energia cinética, potencial intermolecular etc.). A variação dessa energia,
, mede quanto a “energia armazenada” no sistema muda entre um estado inicial e um estado final.
Exemplo: num gás ideal, é proporcional à temperatura
. Se aquecermos o gás e sua temperatura subir de
para
, então
Exemplo: num gás ideal,
onde
é o número de graus de liberdade,
o número de mols e
a constante universal dos gases.
Passo 3
Chamamos de calor
a energia que entra ou sai de um sistema exclusivamente por diferença de temperatura entre o sistema e a vizinhança. Por convenção,
quando calor é fornecido ao sistema e
quando o sistema perde calor.
Exemplo: água sendo aquecida num fogão recebe ; um copo de água quente num ambiente frio perde calor, então
.
Exemplo: água sendo aquecida num fogão recebe
Passo 4
Chamamos de trabalho
a energia transferida quando o sistema exerce ou recebe força que leva a um deslocamento macroscópico. Em termodinâmica de gases, o mais comum é o trabalho de expansão/compressão:
onde
é a pressão e
o volume. Por convenção,
se o sistema realiza trabalho (expansão) e
se o trabalho é feito sobre o sistema (compressão).
Exemplo: num pistão, se o gás empurra o êmbolo para fora, ele realiza trabalho ; se alguém comprime o êmbolo, faz-se
.
Exemplo: num pistão, se o gás empurra o êmbolo para fora, ele realiza trabalho
Passo 5
A 1ª Lei da Termodinâmica diz que a variação da energia interna é igual ao calor recebido menos o trabalho realizado pelo sistema:
Isso expressa a conservação de energia: o que entra como calor ou trabalho altera a energia interna.
Passo 6
Dois exemplos de aplicação imediata:
- Processo isocórico
constante): não há trabalho de expansão, , logo
Se aquecermos o gás num recipiente rígido, todo o calor
vai para aumentar sua energia interna.
2. Processo adiabático (não há troca de calor, :
2. Processo adiabático (não há troca de calor,
Ao comprimir adiabaticamente o gás, fazemos
, logo
e a temperatura aumenta.
Resposta
A 1ª Lei da Termodinâmica é a equação
onde
é a variação da energia interna,
é o calor trocado e
o trabalho realizado. Exemplos típicos são processos isocóricos
e adiabáticos
.