Termodinâmica.
Transformação de energia

Energia térmica I combustão.
Efeitos da termodinâmica

Entropia

Primeira lei da termodinâmica

Primeira lei da termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica foi anunciada por Julius Robert von Mayer em 1841. É o princípio da conservação da energia.

Definição da primeira lei da termodinâmica: A energia total de um sistema isolado não é criada nem destruída, permanece constante. 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 com o que tem energia cinética. Se perder velocidade, essa energia cinética que ela perde torna-se outro tipo de energia, seja energia potencial (se adquire altura), energia térmica (se houver algum tipo de atrito que provoque o aquecimento), etc.

O mesmo princípio se aplica à energia solar fotovoltaica e energia solar térmica. Os átomos das partículas que formam o Sol contêm energia, através de uma reação nucelar, essa energia é transformada em radiação. A radiação solar que atinge a terra é captado por painéis fotovoltaicos ou os seus colectores térmicos que transformam a energia em energia eléctrica (fotovoltaica) ou energia de calor (calor).

Agora, vamos ver como tais conclusões foram alcançadas.

Máquinas a vapor

Maquina de vapor Os primeiros motores a vapor ou máquinas térmicas foram desenvolvidos pela primeira vez no tempo dos romanos. Os romanos construíram o primeiro dispositivo que usava vapor para funcionar. Este motor a vapor consistia em um balão oco, apoiado por um pivô, de modo que pudesse girar em torno de um par de cotos, um deles oco. Através do dito coto, o vapor pode ser injetado, o qual escapou do balão para o exterior por dois tubos dobrados e tangencialmente orientados em direções opostas e colocados nas extremidades do diâmetro perpendicular ao eixo do balão. Quando o vapor foi expelido, o balão reagiu a essa força e girou em torno de seu eixo.

A partir desse momento, um grande número de motores a vapor foram construídos e utilizados para diversos fins. Um dos usos dos motores a vapor era usar uma bomba de água para elevar a água até as casas e distribuí-la por meio de seus quartos, ou para levantar pesos através de um cilindro e um pistão. Pouco a pouco os motores a vapor foram utilizados para um maior número de utilizações à medida que sua eficiência aumentava.

O desenvolvimento e o refinamento continuaram até que a máquina a vapor se tornou a máquina usual para navegação marítima e transporte terrestre (locomotivas), alcançando pressões de vapor muito altas e velocidades consideráveis de pistão. Tecnologicamente, as máquinas a vapor melhoraram muito, embora no momento, cientificamente, não houvesse uma explicação completa de seu funcionamento físico.

A idéia principal dos motores a vapor é converter a quantidade máxima de energia térmica em outro tipo de energia: trabalho mecânico. No momento não havia explicação científica, mas entrar no século XIX, através da experimentação, começa a entender seu significado.

Experiências de Rumford

Rumford, em 1798, realiza um experimento que consistia em um cilindro de bronze usado para uma broca de aço afiada. Esta broca foi forçada contra o fundo do cilindro e o cilindro foi girado em seu eixo por meio de uma perfuratriz operada com cavalos. O cilindro e a broca foram colocados em uma caixa hermética cheia de água à temperatura ambiente. Depois de operar o dispositivo por algum tempo, o cilindro e a água foram aquecidos, esse aquecimento continuou até que a água ferveu.

Isto implicava que a água era aquecida sem usar fogo, somente através do trabalho (do cilindro).

Os estudos decisivos que levaram ao estabelecimento da equivalência entre trabalho mecânico e calor foram feitos em 1840 por James Joule na Grã-Bretanha. Esses estudos foram inspirados pelo trabalho de Rumford.

Experimentos de Joule

James Prescott Joule

James Joule propôs um dispositivo que consistia de um eixo giratório com uma série de palhetas girando entre quatro conjuntos de palhetas estacionárias. O objetivo dessas pás era mexer o líquido que foi colocado no espaço livre entre eles. O eixo foi conectado por um sistema de polias e cordas muito finas a um par de massas de peso conhecido.

Experiência de joule

O experimento consistia em enrolar a corda segurando as massas nas polias até que elas fossem colocadas a uma certa altura no solo. Ao deixar cair as massas, o veio rodou, o que por sua vez gerou uma rotação dos braços rotativos agitando o líquido contido no recipiente. Este processo foi repetido vinte vezes e a temperatura final do líquido agitado foi medida. As paredes do recipiente eram herméticas e feitas de madeira muito grossa para simular uma parede adiabática.

Após uma cuidadosa repetição, Joule concluiu que a quantidade de calor produzida pelo atrito entre os corpos, seja líquido ou sólido, é sempre proporcional à quantidade de trabalho mecânico fornecido.

Suas experiências foram repetidas em diferentes substâncias, tabulando os valores obtidos de força mecânica (representada pela queda de uma massa por uma certa distância), para elevar a temperatura de um volume conhecido de substância.

Primeira lei da termodinâmica

Os resultados obtidos por Joule mostram que, para sistemas isolados de seu exterior, e para os quais a mesma quantidade de energia mecânica é fornecida de diferentes maneiras, a mudança observada no sistema é a mesma. Neste experimento a mudança é registrada pela variação da temperatura do sistema.

É importante notar que, nesses experimentos, o sistema não está se movendo, sua energia cinética é zero, em relação ao nível do solo não se move, energia potencial permanece constante, no entanto, o sistema absorveu uma certa quantidade de energia. Nós chamamos essa energia de energia interna do sistema. Essas experiências servem para estender esta observação para todo o sistema termodinâmico e postular que: se qualquer sistema isolado, nós fornecemos uma certa quantidade de mecânica W de energia, ele só provoca um aumento na energia interna do sistema U, o valor U de modo o que:

Equação 1

Essa igualdade que indica que a energia é aplicada ao sistema isolado, constitui a definição da energia interna U. A existência dessa quantidade para qualquer sistema é o postulado conhecido como a primeira lei da termodinâmica.

Se as experiências de Joule ou semelhantes em outros sistemas fossem realizadas sem tomar a precaução de isolar o sistema de seu entorno, observaríamos que:

Equação 2

O exemplo mais simples é aquele que acontece aquecendo a mesma quantidade de substância usada por Joule, mas colocando-a diretamente no fogo até obter a mesma variação de temperatura. Tomando precauções para que nenhuma outra propriedade mude, concluímos que a mesma energia fornecido por W nos experimentos de Joule, foi agora fornecido pelo fogo, isto é, uma quantidade de energia térmica Q. É claro que a energia que falta na equação acima é devido às perdas de calor causadas pelo fluxo de calor do sistema para o exterior, em virtude de suas diferenças de temperatura.

Então podemos escrever:

Equação 3

Isto é: a energia é conservada em qualquer processo se o calor é levado em conta, entendendo por processo o mecanismo por meio do qual um sistema muda suas variáveis ou propriedades termodinâmicas.

Em resumo, podemos dizer que a formulação matemática da primeira lei da termodinâmica, a equação anterior, contém três idéias relacionadas:

  • A existência de uma função energética interna.
  • Princípio da conservação de energia
  • A definição de calor como energia em trânsito
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Referências

Última revisão: 25 de setembro de 2016