Calendário de 2006

A Primeira Lei da Termodinâmica
Aula de Física Enem
A Primeira Lei da Termodinâmica
Em qualquer processo termodinâmico, a energia pode ser transferida de um sistema para
outro sob duas formas: sob a forma de calor Q ou sob a forma de trabalho τ.
É importante relembrarmos que o calor Q é energia térmica transferida entre dois corpos
ou entre dois sistemas devido a uma diferença de temperatura entre eles e que o trabalho
τ é energia transferida entre sistemas pela ação de uma força.
Pelo princípio da conservação da energia, que estabelece que a energia não pode ser
criada ou destruída, então a quantidade de calor Q transferida de um sistema para outro e
o trabalho τ estão relacionados com a variação da energia interna ΔU do sistema.
A variação da energia interna ΔU de um sistema termodinâmico é, portanto, o resultado
de um balanço energético entre o calor Q trocado e o trabalho τ envolvido na
transformação.
Dessa maneira, em uma transformação, a variação da energia interna ΔU do sistema
depende do calor Qtrocado e do trabalho τ na transformação.
A primeira lei da termodinâmica estabelece que, em qualquer transformação:
(Primeira Lei da Termodinâmica)
Essa lei de conservação de energia pode ser assim enunciada:
A variação da energia interna ΔU do sistema é igual à diferença entre o
calor Q trocado pelo sistema e o trabalho τ envolvido na transformação.
Sempre que aplicarmos a Primeira Lei da Termodinâmica, devemos seguir a convenção
de sinais adotada para os sinais do calor trocado, do trabalho realizado e da variação da
energia interna do sistema gasoso:
• Calor trocado (Q)
Q > 0: quando a quantidade de calor é recebida pelo sistema
Q = 0: em uma transformação adiabática (o gás não recebe e nem perde calor)
Q < 0: quando a quantidade de calor é perdida pelo sistema
• Trabalho realizado (τ)
τ > 0: quando o trabalho é realizado pelo sistema sobre o meio exterior (expansão do gás)
τ = 0: em uma transformação isocórica (o volume do gás não varia)
τ < 0: quando o trabalho é realizado pelo meio externo sobre o sistema (contração do
gás)
• Variação da energia interna (ΔU)
ΔU > 0: quando a temperatura do gás aumenta (aquecimento)
ΔU = 0: em uma transformação isotérmica (a temperatura não varia)
ΔU < 0: quando a temperatura do gás diminui (resfriamento)
Aplicação numérica
Para melhor entender como aplicar a Primeira Lei da Termodinâmica às transformações
gasosas, vamos resolver um exemplo numérico.
(UFGO) Suponha que um sistema passe de um estado a outro trocando energia com a
sua vizinhança. Dado: 1 cal = 4,18 J.
Calcule a variação de energia interna do sistema nos seguintes casos:
a) o sistema absorve 1000 cal de calor e realiza um trabalho de 2000 J;
b) o sistema absorve 1000 cal de calor e um trabalho de 2000 J é realizado sobre ele;
c) o sistema libera 1000 cal para a vizinhança e um trabalho de 2000 J é realizado sobre
ele.
Dica 2 – O conceito de Gás Ideal é meramente teórico, pois gases deste tipo não
existem na prática, não deixe de estuda-lo.
Em todas as três situações, o calor trocado pelo gás (recebido ou perdido) é de 1000 cal,
e como 1 cal = 4,18 J, esta quantidade de calor equivale a 4180 J.
a) O gás absorve 1000 cal e, portanto, Q = + 4180 J
O gás realiza um trabalho de 2000 J e, portanto, τ = + 2000 J
Então: ΔU = Q – τ ⇒ ΔU = (+ 4180) – (+ 2000) ⇒ ΔU = + 2180 J (o gás esquenta).
b) O gás, mais uma vez, absorve 1000 cal e, portanto, Q = + 4180 J
Um trabalho de 2000 J é realizado sobre o gás. Portanto, o gás recebe trabalho do meio
externo e τ = – 2000 J
Então: ΔU = Q – τ ⇒ ΔU = (+ 4180) – (– 2000) ⇒ ΔU = + 6180 J (o gás esquenta).
c) O gás libera 1000 cal e, portanto, perde calor. Assim: Q = – 4180 J
Dica 3 – A troca de calor pode acontecer de três maneiras: por condução;
convecção ou por irradiação
Mais uma vez, um trabalho de 2000 J é realizado sobre o gás. Portanto, o gás, mais uma
vez, recebe trabalho do meio externo e τ = – 2000 J
Então: ΔU = Q – τ ⇒ ΔU = (– 4180) – (– 2000) ⇒ ΔU = – 2180 J (o gás esfria)
Em todas as situações sempre podemos usar um recurso gráfico para fazer o balanço
energético e aplicar a Primeira Lei da Termodinâmica.