Primeira Lei da Termodinâmica Objeto de aprendizagem: Ciclo de

Primeira Lei da Termodinâmica
Objeto de aprendizagem: Ciclo de Otto e a
Primeira Lei da Termodinâmica
NOA - UFPB
A primeira Lei da Termodinâmica trata do balanço de energia que deve existir quando um
sistema é submetido a um processo termodinâmico. Se considerarmos um sistema isolado, a variação na sua energia interna ΔE vai ser igual ao calor Q absorvido por esse sistema subtraído o trabalho W executado por ele. Numa equação, teremos:
ΔE = Q − W
A Segunda Lei da Termodinâmica tem uma característica diferente de outras leis da Física;
ela apresenta vários enunciados, e ela estabelece condicionantes para a ocorrência de processos Físicos, mesmo aqueles permitidos pela Primeira Lei da Termodinâmica. Por exemplo, existem inúmeros processos que satisfazem à equação anterior, mas que não são possíveis de acontecerem na
Natureza. Por exemplo: uma hélice submersa em água é impulsionada por um motor, de modo a
aquecer esse líquido com a agitação que as suas pás causam. A segunda lei coloca que é impossível
inverter esse processo, de modo a utilizar esse aumento da energia da água e recuperar a energia
fornecida inicialmente pelo motor.
Existem questões que são transcendentais na sua origem, e dificilmente a humanidade obterá
uma resposta racional para elas, como por exemplo; qual a razão de nossa existência. Existem inúmeros fenômenos ou objetos do cotidiano que pareciam assustadores ou enigmáticos, até que os
homens conseguiram compreendê-los, tal como o relâmpago e a bússola. A ciência sempre procurou respostas racionais para as questões que nos deixam curiosos; que nos intriga ou nos atemoriza.
Procurando as causas dos efeitos com os quais nos deparamos.
As leis de conservação têm uma importância fundamental na construção do conhecimento
científico na medida em que enfatiza a inter-relação entre os elementos terrenos. A lei da conservação da energia estabelece que quando consideramos um dado sistema fechado, podem acontecer
transformações entre os vários tipos de energia desse sistema, mas a sua energia total não se altera
nesse processo.
Durante muito tempo não se percebia a relação entre os fenômenos relacionados a calor como aqueles relacionados a trabalho. Uma comprovação clara dessa relação aconteceu com a experiência que mostrava o equivalente mecânico do calor. Foi construído um aparato que ligava através
de cordas pesos com pás. Quando os pesos eram liberados, eles puxavam as cordas que faziam girar
pás imersas em água. Foi medido o aumento de temperatura da água provocado pela agitação das
pás e esse aumento de temperatura foi relacionado diretamente com a variação da energia potencial
dos pesos que foram soltos. Essa era demonstração da relação entre a energia mecânica (potencial
gravitacional) e a energia térmica.
A Primeira Lei da Termodinâmica relaciona essas transformações de uma maneira mais global. Imagine um sistema composto por um gás, que está contido em um tubo, e esse gás está em um
estado termodinâmico caracterizado por valores específicos de temperatura T , pressão p e volume
V.
Se o tubo que contém esse gás for comprimido
(diminuindo o volume) enquanto ele estiver isolado termicamente, o gás irá para outro estado termodinâmico, com
valores diferentes de temperatura, pressão e volume. Esse
estado terá temperatura e pressão mais altas, e um volume
menor. Em um gás ideal, a sua energia interna é proporcional à temperatura em que ele se encontra, e nesse caso,
o sistema foi para um estado com maior energia interna.
Na interação entre o sistema e o meio ambiente aconteceu
um acréscimo de energia interna do sistema,
que é exatamente igual ao trabalho necessário para diminuir o volume do gás, mantendo o isolamento térmico.
Se o tubo que mantém o gás for colocado em contato com um reservatório de calor que se
encontra numa temperatura maior que o gás, mesmo que o seu volume seja mantido constante, o gás
vai absorver calor até que a sua temperatura se iguale a temperatura do reservatório. Essa quantidade de calor absorvida pelo gás é exatamente igual ao aumento da sua energia interna.
Nos dois parágrafos anteriores relatamos transformações marcadamente simples onde o sistema absorvia energia em forma de trabalho ou em forma de calor. No entanto podem acontecer
transformações onde ele absorva energia em forma de trabalho e ceda energia em forma de calor
para o ambiente (reservatório térmico). O ambiente é considerado como tudo que é externo ao sistema composto pelo gás ideal.
De maneira geral, quando um sistema sofre uma transformação termodinâmica entre um estado inicial e outro final, a variação da energia interna (energia interna do estado inicial menos a
energia interna do estado final) será igual ao calor absorvido pelo sistema nesse processo, menos o
trabalho executado pelo sistema nesse mesmo processo:
ΔE = Q − W
Apesar de não estar explícito na primeira Lei da Termodinâmica, deve-se sempre ter em
mente que o calor é um processo, ele não é uma substância. O calor é uma forma de energia relacionada com a agitação dos átomos e moléculas que compõe determinado material.
Quando se coloca em contato dois recipientes com temperaturas diferentes, a agitação das moléculas da parede do
recipiente mais quente irá aquecer as moléculas da parede do
T
T + ΔT
recipiente mais frio. Quando as paredes dos recipientes estão
Fluxo de
em contato, acontecem colisões entre as moléculas de recipiencalor
te com as moléculas do outro recipiente. Aquelas moléculas
com maior agitação, transferem esse excesso de energia através
das colisões, e desse modo a parede mais fria vai esquentando,
e nesse ínterim as moléculas do gás mais frio vai esquentando
através das colisões com as paredes do recipiente que está se aquecendo. Quando se alcança o equilíbrio térmico, os dois gases alcançaram a mesma temperatura.
O fluxo de calor está associado com a transferência de energia de movimento entre partes
contíguas de determinado material.