Primeira Lei da Termodinâmica

Antes de começar, temos que revisar alguns conceitos:

Energia Interna é soma de todas as energias que existem em um gás.

Trabalho é a energia em trânsito entre dois corpos devido à ação de uma força.

Calor é a energia transferida de um corpo para outro em virtude, unicamente, de uma diferença de temperatura entre eles.

ΔU = Variação de Energia Interna

T = Trabalho

Q = Calor

Fórmula da 1ª Lei da Termodinâmica:

ΔU= Q - T

(Em palavras, podemos dizer que, a variação da energia interna de um sistema é a diferença entre a quantidade de calor recebida ou cedida e o trabalho realizado sob ou pelo sistema - Quando uma quantidade de calor Q é absorvida [Q positivo] ou cedida[Q negativo] por um sistema e um trabalho T é realizado por este sistema[T positivo] ou sobre ele[T negativo])

Exemplos:

1) O sistema absorve 100 cal de calor e realiza um trabalho de 200J. Calcule a variação de energia interna do sistema:

Dados que tenho:

Q= 100 cal - mas como o valor tem que estar em joules, multiplico por 4,18; pois 1 cal=4,18J; então temos - 418 J

T= 200 J (positivo)

Obedecendo a fórmula: ΔU=Q-T, podemos chegar a conclusão que:

ΔU= 418 - 200

ΔU= 218J (Então, pode-se dizer que a energia interna do sistema aumentou 218J)

2) O sistema absorve 100 cal de calor e um trabalho de 200J é realizado sobre ele.Calcule a variação de energia interna do sistema:

Dados que tenho:

Q= 100 cal - como no exercício anterior, multiplico por 4,18 - 418 J

T= - 200J(pois o trabalho é realizado SOBRE o gás)

Obedecendo a fórmula: ΔU=Q-T, podemos chegar a conclusão que:

ΔU= 418-(-200)= 618 J

Portanto, a energia interna sofreu um acréscimo de 618 J, o que é fácil de ser interpretado, uma vez que tanto o calor fornecido ao sistema(418 J) quanto o trabalho realizado sobre ele(200 J) representam quantidades de energia transferidas para o sistema.

Aplicações da 1ª Lei da Termodinâmica

Transformação adiabática(Q=0): Uma transformação em que o sistema não troca calor com a vizinhança.

Quando um gás sobre uma expansão(ou compressão) rápida, mesmo que as paredes do recipiente não sejam isolantes, a quantidade de calor que o sistema poderá ceder ou absorver é muito pequena, podendo considerar como uma transformação adiabática. Portanto, toda a energia interna será usado para executar um trabalho negativo pelo gás. ΔU= - T

Transformação Isotérmica(ΔU=0): Temperatura constante. Então, como a energia interna varia de acordo com a temperatura, e a temperatura permanece constante, podemos dizer que também 

ΔU permanece constante. Então a equação ficaria da seguinte forma:

Q= T, ou seja, todo o calor recebido pelo sistema será usado para realizar trabalho.

Transformação Isométrica ou Isovolumétrica(T=0): Quando o sistema não varia seu volume e/ou a sua pressão(transformação isobárica), o mesmo não realizará trabalho, pois T= p . 

ΔV(Trabalho é o produto entre a pressão e a variação do volume)Então, a equação ficará da seguinte forma: ficará da seguinte forma: ΔU= Q, ou seja, todo o calor recebido pelo gás será usado para variar a sua energia interna.

Resumindo(Balanço Energético):

Sistema(gás) → recebe calor = Q>0(positivo)

                    → cede calor = Q<0(negativo)

                    → não troca calor = Q=0(Transformação Adiabática)

Sistema(gás) → realiza trabalho = T>0(positivo)[volume aumenta]

                    → recebe trabalho = T<0(negativo)[volume diminui]

                    → não realiza trabalho = T=0[volume constante](Transformação Isométrica ou Isovolumétrica)

Sistema(gás) → aumenta U = ΔU>0 [aumenta temperatura]

                    → diminui U =ΔU<0 [diminui temperatura]

                 → não varia U, ou U constante = ΔU=0 [temperatura constante] (Transformação Isotérmica)

Exercícios:

1) Um recipiente de volume V contém um gás perfeito. Fornece-se ao gás uma certa quantidade de calor, sem variar o volume. Nestas condições:

1. a quantidade de calor recebida pelo gás servirá apenas para aumentar a energia interna dele.
2. o gás realizará trabalho e a energia interna dele permanecerá constante.
3. o gás realizará trabalho e a energia interna dele diminuirá.
4. o gás realizará trabalho equivalente à quantidade de calor recebida.

2)(UFMG 99) Um botijão contém gás sob alta pressão. Ao abrir-se a válvula desse botijão, o gás escapa rapidamente para a atmosfera.

     A. EXPLIQUE por que, nessa situação, o processo pode ser considerado adiabático.

     B. Considerando a situação descrita, RESPONDA:

           → o trabalho realizado pelo gás foi positivo, negativo ou nulo? JUSTIFIQUE sua resposta.

           → durante todo o processo, a temperatura do gás que permanece dentro do botijão aumenta, diminui ou permanece a mesma? JUSTIFIQUE sua resposta.

Respostas:

1) A

2) A. porque é muito rápido

   B. → positivo, pois o gás expande-se

       → diminui, pois num processo adiabático, o trabalho tem sinal contrário à energia interna.. 

Postado por Eduardo Mendes.