A Primeira Lei da Termodinâmica é uma forma de expressar a conservação de energia em sistemas termodinâmicos. Ela afirma que a energia total de um sistema isolado é constante, ou seja, a energia não pode ser criada ou destruída, apenas transformada de uma forma para outra.
Matematicamente, a Primeira Lei é expressa da seguinte forma:
$$ \Delta U = Q – W $$
- \( \Delta U \): variação da energia interna do sistema (em joules, J)
- \( Q \): calor fornecido ao sistema (em joules, J)
- \( W \): trabalho realizado pelo sistema (em joules, J)
De acordo com essa fórmula, a variação da energia interna de um sistema é igual ao calor que ele recebe, menos o trabalho que ele realiza. Em outras palavras, a energia que entra no sistema (em forma de calor) é dividida entre a energia interna e o trabalho realizado pelo sistema.
Explicação dos Termos
- Energia Interna (\( \Delta U \)): é a soma da energia cinética e potencial das partículas que compõem o sistema. Essa energia varia com a temperatura e o estado do sistema.
- Calor (\( Q \)): é a energia transferida devido a uma diferença de temperatura entre o sistema e seu ambiente. O calor pode ser adicionado ao sistema ou retirado dele.
- Trabalho (\( W \)): é a energia transferida para o sistema quando ele realiza uma força sobre uma superfície. Pode ser positivo (quando o sistema realiza trabalho) ou negativo (quando o trabalho é realizado sobre o sistema).
Exemplo Prático
Considerando um gás ideal confinado em um cilindro com êmbolo, se um calor de \( Q = 500 \, \text{J} \) for fornecido ao sistema e o trabalho realizado pelo sistema for \( W = 200 \, \text{J} \), qual será a variação da energia interna (\( \Delta U \)) do sistema?
Processos Termodinâmicos e Trabalho Realizado
Em sistemas termodinâmicos, o trabalho realizado pode ser de diferentes tipos, dependendo do tipo de processo que o sistema está passando. Os principais processos são:
- Processo Isotérmico: ocorre quando a temperatura do sistema permanece constante durante a troca de calor e realização de trabalho.
- Processo Isobárico: ocorre quando a pressão do sistema permanece constante enquanto a temperatura e o volume do sistema variam.
- Processo Isocórico: ocorre quando o volume do sistema permanece constante e, portanto, não há realização de trabalho, já que o volume não muda.
- Processo Adiabático: ocorre quando não há troca de calor com o ambiente. Toda a variação de energia interna é convertida em trabalho ou vice-versa.
Tabela-Resumo: Primeira Lei da Termodinâmica
| Processo | Definição | Fórmula do Trabalho |
|---|---|---|
| Isotérmico | Temperatura constante, energia interna não varia | \( W = Q \) |
| Isobárico | Pressão constante, volume e temperatura variam | \( W = P \cdot \Delta V \) |
| Isocórico | Volume constante, trabalho não realizado | \( W = 0 \) |
| Adiabático | Sem troca de calor com o ambiente | \( Q = 0 \), \( \Delta U = -W \) |