A primeira lei da termodinâmica afirma que : "A energia total de um sistema isolado não é criada nem destruída, ela permanece constante." É um princípio que reflete a conservação de energia.
A energia só se transforma de um tipo para outro. Quando uma classe de energia desaparece, uma quantidade equivalente de outra classe deve ser produzida.
Um corpo pode ter uma certa velocidade. Ter velocidade implica energia cinética. Se você perder velocidade, você perde energia cinética; que se transforma em outro tipo de energia. A conversão pode ser em energia potencial (se adquirir altura), energia térmica (se houver algum tipo de atrito que o faça aquecer), etc.
O primeiro princípio da termodinâmica permite definir o postulado da primeira lei da termodinâmica:
Se para qualquer sistema adiabático, fornecermos uma certa quantidade de energia mecânica W, essa energia só provoca um aumento na energia interna do sistema U. De forma que:
Primeira lei da termodinâmica para sistemas não isolados
Se o sistema não for isolado, esta igualdade não é cumprida e o sistema sofre uma variação de calor.
Para a primeira lei da termodinâmica, não há nenhuma etapa trivial de concepção física de uma visão de sistema fechado para uma visão de sistema aberto.
Para sistemas fechados, os conceitos de invólucro adiabático e parede adiabática são fundamentais. A matéria e a energia interna não podem penetrar ou penetrar em tal parede. Para um sistema não isolado, existe uma parede que permite a penetração do material.
Em geral, a matéria em movimento difusivo carrega consigo alguma energia interna. Algumas mudanças na energia potencial microscópica acompanham o movimento. Um sistema aberto não é fechado adiabaticamente.
Existem alguns casos em que um processo para um sistema não isolado pode, para fins específicos, ser considerado um sistema isolado.
Em um sistema aberto, por definição, hipotética ou potencialmente, a matéria pode passar entre o sistema e seus arredores. Mas quando, em um caso particular, o processo de interesse envolve apenas hipotético ou potencial, mas nenhuma passagem real de matéria, o processo pode ser considerado como se fosse para um sistema fechado.
Critério de sinais
W é o trabalho realizado no ou pelo sistema. Se o trabalho for feito pelo sistema, W é negativo. Se o trabalho for feito no sistema, W é positivo.
ΔQ é a quantidade de calor absorvida ou emitida por uma máquina de calor. Se a transferência de calor líquido for para o sistema, ΔQ será positivo. Se a transferência de energia líquida deixar o sistema, ΔQ será negativo.
Este critério de sinal é importante, pois varia de acordo com o autor.
O que é um sistema adiabático?
Um processo adiabático é aquele em que o sistema não troca calor com seus arredores. Ele está em equilíbrio térmico. Um processo adiabático que também é reversível é um processo isentrópico.
O termo adiabático refere-se a volumes que impedem a transferência de calor com o meio ambiente. Uma parede isolada está bem próxima de um limite adiabático.
Um processo adiabático é realizado com uma variação de calor constante. Em um processo isobárico, é realizado sob pressão constante.
O que é energia interna?
Energia interna é a energia necessária para criar um sistema na ausência de mudanças de temperatura ou volume.
Joule conduziu um experimento no qual concluiu que a energia transferida em uma máquina térmica se tornava parte da energia interna da máquina.
Essas experiências servem para estender essa observação a qualquer sistema termodinâmico e postular que: se fornecermos a qualquer sistema isolado uma certa quantidade de energia mecânica W, isso só provoca um aumento na energia interna do sistema U, pela quantidade U so que:
A mudança na energia interna é igual ao trabalho fornecido.
Essa igualdade, que se aplica ao sistema isolado, constitui a definição da energia interna U.
A energia interna, no sistema internacional de unidades, é medida em joules (J).
A existência dessa quantidade para qualquer sistema é o postulado conhecido como: o primeiro princípio da termodinâmica.
Entalpia
A entalpia é definida por H = U + PV
onde P e V são a pressão e o volume, e U é a energia interna. O conceito de entalpia é paralelo ao primeiro princípio em um sistema de pressão constante.
E se o sistema não estiver isolado?
Se o sistema não estiver isolado, observa-se que:
A energia ausente é devido às perdas de calor. As perdas são devidas à transferência de calor do sistema para o exterior devido às diferenças de temperatura.
Então, podemos escrever:
Em resumo, podemos dizer que a formulação matemática da primeira lei da termodinâmica, a equação anterior, contém três ideias relacionadas:
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A existência de uma função de energia interna.
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O princípio da conservação de energia,
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A definição de calor como energia em trânsito
Sumário e conclusões
A primeira lei da termodinâmica é a mesma que a lei da conservação da energia. Este princípio afirma que:
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Em um sistema isolado, a energia não é criada nem destruída. Ele só passa por transformações.
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Se trabalho mecânico é aplicado a um sistema, sua energia interna varia.
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Se o sistema não for isolado, parte da energia é transformada em calor que pode sair ou entrar no sistema.
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Um sistema isolado é um sistema adiabático. O calor não pode entrar ou sair. Nenhuma transferência de calor ocorre.