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História da primeira lei da termodinâmica, a conservação da energia

História da primeira lei da termodinâmica, a conservação da energia

Benjamin Thompson realizou uma série de experimentos que relacionavam trabalho mecânico e calor. Mais tarde, James Joule retomou os experimentos de Benjamin Thompson.

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. Ambos no século XIX.

As primeiras declarações completas da lei vieram em 1850 de Rudolf Clausius e William Rankine. A afirmação de Rankine é considerada menos diferente da de Clausius.

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

Nicolas Léonard Sadi Carnot, considerado pai da termodinâmica

Paris, 1 de junho de 1796 - 24 de agosto de 1832

Nicolas Léonard Sadi Carnot foi um físico e engenheiro francês pioneiro no estudo da termodinâmica. Ele é hoje reconhecido como o fundador ou pai da termodinâmica.

Quando Carnot começou a trabalhar nesse assunto, os motores a vapor haviam alcançado grande importância econômica e industrial. No entanto, não havia nenhum estudo científico real deles.

Carnot quis responder duas perguntas sobre a operação de motores térmicos. Ambos relacionados ao seu desempenho térmico.

Como Copérnico, Carnot publicou apenas um livro: "Reflexões sobre o poder motriz do fogo" (Paris, 1824). Em seu livro, ele expressou a primeira teoria bem-sucedida da eficiência máxima de máquinas de calor.

Neste trabalho, ele lançou as bases para uma disciplina completamente nova, a termodinâmica.

Ciclo de Carnot

O ciclo de Carnot é o motor mais eficiente possível. Essa eficiência não se deve apenas à ausência de atrito e outros processos acidentais de resíduos. A principal razão é que não envolve a condução de calor entre as peças do motor em diferentes temperaturas.

Carnot sabia que a condução de calor entre corpos a diferentes temperaturas é um processo desperdício e irreversível. A condução de calor deve ser removida para que o motor térmico alcance a máxima eficiência.

James Prescott Joule. Calor e energia

Salford, 24 de dezembro de 1818 - Venda, 11 de outubro de 1889.

História da primeira lei da termodinâmicaJoule estudou as características do calor e descobriu a relação com a energia. Isso levou à lei de conservação de energia (primeira lei da termodinâmica).

A unidade de energia do SI, em julho, recebeu o nome dele.

Ele desenvolveu a escala de temperatura absoluta com Lord Kelvin, descreveu a magnetorrestrição e descobriu a relação entre a corrente elétrica através de uma resistência elétrica e dissipação de calor, conhecida como lei de Joule.

Graças a seus experimentos, ele mostrou que o calor e o trabalho mecânico podiam se converter diretamente, mantendo seu valor geral constante: em máquinas hidráulicas e mecânicas, o atrito transforma energia mecânica em calor.

Pelo contrário, em máquinas térmicas, o efeito mecânico produzido (trabalho) deriva de uma quantidade equivalente de calor.

Joule começou a lançar as bases experimentais para a primeira lei da termodinâmica.

Inicialmente, Joule e Julius Robert von Mayer, que chegaram a conclusões semelhantes, foram ignorados até o físico alemão Hermann Helmholtz descobrir suas descobertas em 1842. Ele lhes deu o devido reconhecimento ao publicar sua Lei de Conservação de Energia final em 1847.

Experiência mecânica de 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.

História da primeira lei da termodinâmicaO 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, líquidos ou sólidos, 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?

Os experimentos de Joule concluíram que a transferência de calor em uma máquina térmica se tornou parte da energia interna da máquina.

Se fornecermos a qualquer sistema fechado uma certa quantidade de energia mecânica W, isso causará apenas um aumento na energia interna do sistema termodinâmico.

A variação interna de energia em um processo adiabático é igual ao trabalho fornecido.

Um processo adiabático é um processo que não troca calor com o exterior. Se o sistema não é adiabático, a energia interna é igual ao trabalho menos a energia térmica que foi consumida.

Julius Robert von Mayer, o primeiro da história a formular a primeira lei da termodinâmica

Heilbronn, 25 de novembro de 1814 - 20 de março de 1878.

Julius Robert von Mayer foi um médico e físico alemão e um dos fundadores dos princípios da termodinâmica.

Julius Robert von Mayer foi amplamente ignorado por outros profissionais da área. Então Mayer se interessou pela área de calor e seu movimento. Apresentou um valor em termos numéricos para o equivalente mecânico do calor. 

Em 1841, ele foi o primeiro a formular o princípio de conservação de energia. Por extensão, ele também formulou a primeira lei da termodinâmica.

Como ele não foi levado a sério na época, suas realizações foram negligenciadas e James Joule foi creditado.

Sobre a prioridade dessa descoberta, ele teve um grande desacordo com o físico inglês James Prescott Joule.

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Data de publicação: 4 de junho de 2020
Última revisão: 4 de junho de 2020