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Termodinâmica.
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Primeira lei da termodinâmica

Primeira lei da termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica afirma  que: " A energia total de um sistema isolado não é criada nem destruída, permanece constante ". É um princípio que reflete a conservação de energia.

A energia é transformada apenas 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 envolve energia cinética. Se você perde velocidade, perde energia cinética; que é transformado em outro tipo de energia. A conversão pode ser em energia potencial (se adquirir altura), energia térmica (se houver algum tipo de atrito que faça com que ela aqueça), etc.

Postulado da primeira lei da termodinâmica

Se fornecermos a qualquer sistema adiabático uma certa quantidade de energia mecânica W, essa energia causará apenas um aumento na energia interna do sistema U. Portanto:

Primeira lei da termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica foi anunciada por Julius Robert von Mayer em 1841. Mayer foi a primeira a verificar a transformação do trabalho mecânico em calor e vice-versa. Essas verificações foram feitas ao mesmo tempo que Joule, mas separadamente.

Primeira lei da termodinâmica para sistemas não isolados

Se o sistema não estiver isolado, essa igualdade não será cumprida e o sistema sofrerá uma mudança de calor.

Primeira lei da termodinâmica

Para a primeira lei da termodinâmica, não há etapa trivial da concepção física da visão do sistema fechado para a visão do sistema aberto.

Para sistemas fechados, os conceitos de gabinete adiabático e parede adiabática são essenciais. A matéria e a energia interna não podem penetrar ou penetrar nessa parede. Para um sistema não isolado, existe uma parede que permite a penetração da matéria.

Em geral, a matéria em movimento difuso carrega consigo alguma energia interna. Algumas mudanças na energia potencial microscópica acompanham o movimento. Um sistema aberto não é adiabaticamente fechado.

Existem alguns casos em que um processo para um sistema não isolado pode, para fins específicos, ser considerado como um sistema isolado.

Em um sistema aberto, por definição, hipotética ou potencialmente, a matéria pode passar entre o sistema e seu ambiente. Mas quando, em um caso particular, o processo de interesse envolve apenas uma passagem hipotética ou potencial, mas não real, o processo pode ser considerado como se fosse um sistema fechado.

O que é um sistema adiabático?

Um processo adiabático é aquele em que o sistema não troca calor com o ambiente. 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 variação constante de calor. Em um processo isobárico é realizado a  pressão constante.

Como foi descoberta a primeira lei da termodinâmica?

Benjamin Thompson realizou uma série de experimentos que relacionavam trabalho mecânico e calor.

James Joule retomou as experiências de Benjamin Thompson.

O experimento mecânico de Joule

James Prescott Joule

James Joule propôs um dispositivo que consiste em um eixo rotativo equipado com uma série de lâminas girando entre quatro conjuntos de lâminas estacionárias. O objetivo dessas pás era agitar o líquido colocado no espaço livre entre elas. O eixo foi conectado por um sistema de polias e cordas muito finas a um par de massas de peso conhecido.

As paredes do contêiner eram estanques e feitas de madeira muito grossa para simular uma parede adiabática.

O experimento de Joule

O experimento consistiu em:

  1. Enrole a corda segurando as massas nas polias até que sejam colocadas a uma certa altura do chão.
  2. Solte as massas.
  3.  O eixo começa a girar, gerando uma rotação dos braços giratórios, agitando o líquido, liberando parte de sua  energia cinética e potencial.

Este processo foi repetido vinte vezes. No final, a temperatura do líquido foi medida. 

Primeiros resultados

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

Mais tarde, ele realizou mais experimentos variando:

  1. O tipo de trabalho mecânico.
  2. O tipo de líquido e, portanto, suas propriedades.

Os resultados de todos os experimentos mostraram que a mudança observada no sistema é sempre a mesma. Neste experimento, a alteração é registrada pela variação da temperatura do sistema. Sempre em sistemas isolados do lado de fora.

É importante observar que nessas experiências eles completam as seguintes características:

  • O sistema não se move.
  • Sua energia cinética é zero.
  • Não se move em relação ao nível do solo.
  • Sua energia potencial permanece constante
  • O sistema absorveu uma certa quantidade de energia.

O que é energia interna?

A energia transferida no experimento de Joule é a energia interna do sistema.

Essas experiências servem para estender essa observação a todos os sistemas termodinâmicos e postular que:  se fornecermos a qualquer sistema isolado uma certa quantidade de energia mecânica W, isso causará apenas um aumento na energia interna do sistema U , pela quantidade U de uma maneira que:

Primeira lei da termodinâmica

A variação interna de energia 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: a primeira lei da termodinâmica .

E se o sistema não estiver isolado?

Se experimentos de Joule ou similares em outros sistemas fossem realizados sem isolar o sistema do lado de fora, observaríamos que:

Equação 2

O exemplo mais simples:

  1. Aqueça a mesma quantidade de substância usada por Joule diretamente no fogo até obter a mesma variação de temperatura.
  2. Tomamos precauções para que as outras propriedades termodinâmicas mudem.

Nesse caso, concluímos que a mesma energia fornecida por W nas experiências de Joule agora era fornecida pelo fogo. Você recebeu uma quantidade de energia térmica Q.

A energia que falta é devido à perda de calor. As perdas são devidas à transferência de calor do sistema para o exterior como resultado de suas diferenças de temperatura.

Então podemos escrever:

Equação 3

A energia é conservada em todos os processos se o calor for levado em consideração. Nesse caso, o processo é entendido como o mecanismo pelo qual um sistema altera suas variáveis ​​ou propriedades termodinâmicas.

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

  • A existência de uma função interna de energia.
  • O princípio de conservação de energia,
  • A definição de calor como energia em trânsito

Exemplos em que a primeira lei da termodinâmica se aplica

Para explicar como esse princípio é aplicado à realidade, usaremos dois exemplos: motores a vapor e energia solar.

Máquinas a vapor

O desenvolvimento do motor a vapor envolveu o início do desenvolvimento da primeira das leis da termodinâmica. É a primeira vez que ocorre uma transformação termodinâmica para converter energia térmica em energia mecânica. Sua operação é baseada na variação da relação  pressão-volume.

Primeiros motores a vapor

Os primeiros motores a vapor foram construídos na época romana.

Primeira lei da termodinâmicaOs romanos construíram o primeiro dispositivo que usava vapor para funcionar.  Esse motor a vapor consistia em um globo oco, sustentado por um pivô, para que pudesse girar em torno de um par de tocos, um dos quais era oco. Por meio do referido coto, vapor de água pode ser injetado. O vapor escapou do balão para fora através de dois tubos. Os tubos foram dobrados e tangencialmente orientados em direções opostas e posicionados 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.

Evolução dos motores a vapor

A partir desse momento, um grande número de máquinas a vapor foi construído. Os usos eram múltiplos, por exemplo:

  • A bomba de água para elevar a água para as casas e distribuí-la pelos seus quartos
  • Levantar pesos através de um cilindro e um pistão.

Pouco a pouco, máquinas a vapor foram usadas para um número maior de usos. Além disso, aumentou sua eficiência.

O desenvolvimento e o refinamento continuaram até chegar a navios e trens. Essas máquinas atingiram pressões de vapor muito altas e velocidades consideráveis ​​no pistão. Tecnologicamente, os motores a vapor melhoraram bastante, embora cientificamente, no momento, 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.

    Conservação de energia em energia solar

    Um exemplo desse princípio é a energia solar. É aplicado tanto em energia fotovoltaica quanto em energia solar térmica.

    Os átomos das partículas que compõem o Sol contêm energia. Energia interna. Esses átomos sofrem constantemente uma reação nuclear que converte essa energia química em radiação. A radiação solar que atinge a Terra é capturada por painéis solares fotovoltaicos ou coletores térmicos.

    Os painéis solares transformam essa energia em energia elétrica ( energia fotovoltaica) ou energia térmica ( energia térmica).

    Então, por que o desempenho de um painel solar não é 100%?

    Toda a energia solar que chega ao painel solar é transformada. Mas nem tudo é transformado no mesmo tipo de energia. Parte da radiação recebida por um módulo fotovoltaico é convertida em eletricidade. mas outra parte se transforma em calor, aquecendo o painel; ou apenas retorna à atmosfera.

    Resumo e conclusões

    Neste artigo, aprendemos que a primeira lei da termodinâmica é a mesma da lei de conservação de energia.

    • Em um sistema isolado, a energia não é criada nem destruída. Só sofre transformações.
    • Se o trabalho mecânico é aplicado a um sistema, sua energia interna varia.
    • Se o sistema não estiver isolado, parte da energia é convertida em calor que pode entrar ou sair do sistema.
    • Um sistema isolado é um sistema adiabático. O calor não pode entrar nem sair. Nenhuma transferência de calor é realizada.

      Referências

      Autor:

      Data de publicação: 1 de julho de 2016
      Última revisão: 30 de abril de 2020