3: A Primeira Lei da Termodinâmica
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A energia é conservada em todos os processos, incluindo aqueles associados aos sistemas termodinâmicos. As funções da transferência de calor e da mudança interna de energia variam de processo para processo e afetam a forma como o trabalho é realizado pelo sistema nesse processo. Veremos que a primeira lei da termodinâmica explica que uma mudança na energia interna de um sistema vem de mudanças no calor ou no trabalho. Compreender as leis que governam os processos termodinâmicos e a relação entre o sistema e seus arredores é, portanto, fundamental para obter conhecimento científico sobre energia e consumo de energia.
- 3.1: Prelúdio da Primeira Lei da Termodinâmica
- Em um motor de carro, o calor é produzido quando o combustível queimado é quimicamente transformado principalmente em CO₂ e H₂O, que são gases à temperatura de combustão. Esses gases exercem uma força sobre um pistão por meio de um deslocamento, trabalhando e convertendo a energia cinética do pistão em uma variedade de outras formas: na energia cinética do carro; em energia elétrica para acionar as velas de ignição, o rádio e as luzes; e de volta à energia armazenada na bateria do carro.
- 3.2: Sistemas termodinâmicos
- Um sistema termodinâmico inclui qualquer coisa cujas propriedades termodinâmicas sejam de interesse. Ele está embutido em seu entorno ou ambiente; ele pode trocar calor e trabalhar em seu ambiente através de um limite, que é a parede imaginada que separa o sistema e o ambiente. Na realidade, os arredores imediatos do sistema estão interagindo diretamente com ele e, portanto, têm uma influência muito mais forte em seu comportamento e propriedades.
- 3.3: Trabalho, calor e energia interna
- O trabalho positivo (negativo) é realizado por um sistema termodinâmico quando ele se expande (se contrai) sob uma pressão externa. O calor é a energia transferida entre dois objetos (ou duas partes de um sistema) devido a uma diferença de temperatura. A energia interna de um sistema termodinâmico é sua energia mecânica total.
- 3.4: Primeira Lei da Termodinâmica
- Agora que vimos como calcular a energia interna, o calor e o trabalho realizado para um sistema termodinâmico passando por mudanças durante algum processo, podemos ver como essas quantidades interagem para afetar a quantidade de mudança que pode ocorrer. Essa interação é dada pela primeira lei da termodinâmica, que argumenta que você não pode obter mais energia de um sistema do que você coloca nele. Veremos neste capítulo como a energia interna, o calor e o trabalho desempenham um papel na primeira lei da termodinâmica.
- 3.5: Processos termodinâmicos
- O comportamento térmico de um sistema é descrito em termos de variáveis termodinâmicas. Para um gás ideal, essas variáveis são pressão, volume, temperatura e número de moléculas ou moles do gás. Para sistemas em equilíbrio termodinâmico, as variáveis termodinâmicas são relacionadas por uma equação de estado. Um reservatório de calor é tão grande que, ao trocar calor com outros sistemas, sua temperatura não muda.
- 3.6: Capacidades térmicas de um gás ideal
- Aprendemos sobre calor específico e capacidade térmica molar anteriormente; no entanto, não consideramos um processo no qual o calor é adicionado. Nós fazemos isso nesta seção. Primeiro, examinamos um processo em que o sistema tem um volume constante, depois o contrastamos com um sistema em pressão constante e mostramos como seus calores específicos estão relacionados.
- 3.7: Processos adiabáticos para um gás ideal
- Quando um gás ideal é comprimido adiabaticamente, o trabalho é feito nele e sua temperatura aumenta; em uma expansão adiabática, o gás funciona e sua temperatura cai. Na verdade, as compressões adiabáticas ocorrem nos cilindros de um carro, onde as compressões da mistura gás-ar ocorrem tão rapidamente que não há tempo para a mistura trocar calor com o ambiente.
Miniatura: Diferentes caminhos termodinâmicos percorridos por um sistema ao passar do estado A para o estado B. Para todas as transições, a mudança na energia interna do sistema\(ΔE_{int}=Q−W\) é a mesma.