Questăo 1 (15 %) - com base nos seus conhecimentos na disciplina termodinâmica,
o que é energia? Descreva energia em termos formais conforme discutido na disciplina;
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
de um sistema isolado pode ser decomposta em três contribuições principais:
onde
– é a energia interna (associada à energia cinética molecular e interações intermoleculares),
– é a energia cinética macroscópica,
– 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:
onde
– é a variação da energia total do sistema,
– é o calor recebido pelo sistema,
– é o trabalho realizado pelo sistema sobre o entorno.
–
–
–
Passo 5
Em forma diferencial, essa lei fica:
em que
é um diferencial exato (função de estado) e
,
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 ela satisfaz a primeira lei da termodinâmica,
ou, em diferencial,