A Primeira Lei da Termodinâmica Márcio Nasser - CCEAD PUC-Rio

 A Primeira Lei da Termodinâmica
Márcio Nasser Medina
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Curiosidades e Descobertas Primeira Lei da Termodinâmica Introdução
Nos exemplos a seguir analisaremos algumas transformações termodinâmicas do ar contido em uma
seringa tampada. O ar seco nas condições de nossos experimentos pode ser considerado uma boa
aproximação de gás ideal. A variação das propriedades termodinâmicas volume (V), pressão (P) e
temperatura (T) serão mostradas graficamente e veremos como a primeira lei da Termodinâmica (ΔU =
Q – W) pode ser observada durante as transformações.
Os gases são substâncias muito usadas em máquinas térmicas. Por exemplo, no motor a explosão dos
automóveis é o ar que se expande para movimentar os pistões. O mesmo ocorre na máquina a vapor.
Além disso, muitas substâncias se apresentam na forma gasosa e participam de transformações
termodinâmicas durante reações químicas. Portanto, o estudo das transformações termodinâmicas em
gases é de extrema importância para contextualização da primeira lei da Termodinâmica.
Transformação isovolumétrica
Durante essa transformação o êmbolo não se movimenta, portanto o volume (V) do ar não varia. O que
acontece se aquecemos o ar através de uma fonte externa?
Com relação à temperatura (T), é natural que ela aumente, e é isso que acontece na prática.
Quanto mais aquecemos o ar, maior a pressão (P) que ele exerce. Isso poderia ser constatado se
liberássemos o êmbolo, pois ele se movimentaria.
Observe as figuras e os gráficos e veja se a variação da pressão e temperatura está de acordo com esse
raciocínio. E qual seria o raciocínio no caso do resfriamento do ar?
. 1 . Curiosidades e Descobertas Primeira Lei da Termodinâmica Com relação às energias envolvidas nos processo, devemos observar o que a primeira lei da
Termodinâmica tem a nos dizer sobre o assunto. Como o êmbolo está travado, não há como o ar
realizar trabalho mecânico na vizinhança, logo W = 0. Desse modo:
ΔU = Q
Isso significa que após uma transformação isovolumétrica, o calor recebido pelo gás é usado em sua
totalidade para variar sua energia interna.
Transformação isobárica
Durante essa transformação o êmbolo é mantido livre para se movimentar, ou seja, sem atrito. Se o
êmbolo estiver parado (ou se movimentando com velocidade constante) ele estará em equilíbrio, ou
seja, a pressão que o gás exerce será equilibrada pela pressão atmosférica mais a pressão devido ao
peso do êmbolo. Como nesse experimento o peso do êmbolo não muda e a pressão atmosférica não
varia significativamente, a pressão (P) do ar fica praticamente constante durante a transformação. O que
acontece se aquecemos o ar através de uma fonte externa?
Com relação à temperatura (T), é natural que ela aumente, e é isso que acontece na prática.
Diferentemente da transformação isovolumétrica, o êmbolo agora está solto, de modo que o gás se
expande (V aumenta) ao receber calor.
Observe as figuras e os gráficos e veja se a variação da pressão e temperatura está de acordo com esse
raciocínio. E qual seria o raciocínio no caso do resfriamento do ar?
. 2 . Curiosidades e Descobertas Primeira Lei da Termodinâmica Com relação às energias envolvidas nos processo, devemos observar o que a primeira lei da
Termodinâmica tem a nos dizer sobre o assunto. Primeiramente repare que a área sob o gráfico PxV é a
de um retângulo. Desse modo, o trabalho realizado pelo gás é W = P.ΔV. Então, a primeira lei da
Termodinâmica fica:
ΔU = Q – P.ΔV
Muitas reações químicas ocorrem à pressão constante. Por exemplo, a chama do fogão é uma reação
química de combustão que ocorre à pressão atmosférica. Para quantificar o calor envolvido em reações
químicas nessas condições, foi definida a propriedade Termodinâmica Entalpia (H).
Transformação isotérmica
Durante essa transformação o ar é mantido em equilíbrio térmico com o gelo fundente. Isso garante
que o ar mantém sua temperatura (T) constante igual à temperatura de fusão do gelo.
Ao reduzirmos o volume (V) do ar percebemos que o ar “força” o êmbolo para fora. Isso acontece
porque a pressão (P) do ar aumenta quando ele sofre a compressão.
Observe as figuras e os gráficos e veja se a variação da pressão e temperatura está de acordo com esse
raciocínio. E qual seria o raciocínio no caso da expansão do ar?
Com relação às energias envolvidas nos processo, devemos observar o que a primeira lei da
Termodinâmica tem a nos dizer sobre o assunto. Se considerarmos o ar como sendo um gás
. 3 . Curiosidades e Descobertas Primeira Lei da Termodinâmica praticamente ideal, se a temperatura for constante, a energia interna não varia (ΔU = 0). Então, a
primeira lei da Termodinâmica fica
0=Q–WÆQ=W
Isso significa que após uma transformação isotérmica, o calor recebido pelo gás convertido em sua
totalidade em trabalho e o trabalho realizado sobre o gás é convertido em sua totalidade em calor.
Transformação adiabática
Durante a transformação adiabática, o ar não troca calor com a vizinhança. Isso pode ser obtido
colocando um isolante térmico envolvendo a seringa. Nesse caso, o ar não recebe nem cede calor para
vizinhança, assim, Q = 0. Então, a primeira lei da Termodinâmica fica assim:
ΔU = - W
Isso significa que após uma transformação adiabática, o trabalho realizado sobre o gás é transferido, em
sua totalidade, para a energia interna do gás.
. 4 . Curiosidades e Descobertas Primeira Lei da Termodinâmica Máquina a vapor
Esse é um modelo pedagógico de uma máquina térmica a vapor. Nele, a caldeira é representada por um
recipiente esférico alimentado por chamas, a turbina é representada pela roda dentada girante e o
condensador é representado pelo tubo em “S” resfriado pelo gelo.
O objetivo de construir uma máquina a vapor é o de converter energia térmica em mecânica. Através
desse modelo vamos explicar de forma simplificada o funcionamento dela.
A água aquecida na caldeira muda de estado físico para vapor a alta temperatura e pressão. O vapor
atravessa a turbina para um local de menor pressão, movimentando-a. O vapor é então condensado no
condensador e volta para a caldeira e o ciclo então se repete.
Observando os veículos de transporte modernos, a máquina a vapor pode parecer coisa do passado, em
desuso. Entretanto as turbinas a vapor são largamente utilizadas em usinas termelétricas que são
responsáveis pela maior parte da geração de energia elétrica do planeta.
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