Questăo 1 (15 %) - com base nos seus conhecimentos na disciplina termodinâmica,
o que é energia? Descreva energia em termos formais conforme discutido na disciplina;

Passo 1

O enunciado pede para definirmos o conceito de energia na disciplina de termodinâmica, em termos formais discutidos em aula. Para isso, vamos primeiro recordar o que é um sistema termodinâmico e o que são propriedades de estado, e em seguida apresentar a definição de energia e sua formulação matemática pela primeira lei.

Passo 2

Em termodinâmica, um sistema é a porção do universo sob estudo, separada do meio envolvente por fronteiras. Propriedades são grandezas macroscópicas que podem ser medidas e classificadas como intensivas (não dependem da massa) ou extensivas (dependem da massa). Uma função de estado é uma propriedade cujo valor em determinado instante depende apenas do estado atual do sistema, e não de como esse estado foi atingido.

Passo 3

A energia é uma propriedade extensiva e função de estado do sistema, relacionada à sua capacidade de realizar trabalho e de trocar calor. A energia total E de um sistema isolado pode ser decomposta em três contribuições principais:
E = U + E_{\text{cin}} + E_{\text{pot}},
onde
U é a energia interna (associada à energia cinética molecular e interações intermoleculares),
E_{\text{cin}} é a energia cinética macroscópica,
E_{\text{pot}} é a energia potencial de corpo rígido (por exemplo, devido à gravidade).

Passo 4

A primeira lei da termodinâmica é a expressão do princípio de conservação da energia para um sistema termodinâmico, e afirma que toda variação de energia interna resulta de calor e trabalho trocados com o meio:
\Delta E = Q - W,
onde
\Delta E é a variação da energia total do sistema,
Q é o calor recebido pelo sistema,
W é o trabalho realizado pelo sistema sobre o entorno.

Passo 5

Em forma diferencial, essa lei fica:
\mathrm{d}E = \delta Q - \delta W,
em que \mathrm{d}E é um diferencial exato (função de estado) e \delta Q, \delta W são diferenciais inexactos (dependem do processo).

Passo 6

Como consequência direta da primeira lei, a energia em processos termodinâmicos isolados se conserva. Dessa forma, a energia formalmente define a capacidade de um sistema trocar calor e realizar trabalho, sendo o alicerce para analisar ciclos, máquinas térmicas e transformações termodinâmicas em geral.

Resposta

A energia em termodinâmica é uma função de estado extensiva que representa a capacidade de um sistema realizar trabalho e trocar calor com o entorno. Formalmente, sua forma total é
E = U + E_{\text{cin}} + E_{\text{pot}},
e ela satisfaz a primeira lei da termodinâmica,
\Delta E = Q - W
ou, em diferencial,
\mathrm{d}E = \delta Q - \delta W.

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