3.S: A Primeira Lei da Termodinâmica (Resumo)
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Termos-chave
| processo adiabático | processo durante o qual nenhum calor é transferido para ou do sistema |
| limite | paredes imaginárias que separam o sistema e seus arredores |
| sistema fechado | sistema que é mecanicamente e termicamente isolado de seu ambiente |
| processo cíclico | processo no qual o estado do sistema no final é igual ao estado no início |
| meio ambiente | fora do sistema que está sendo estudado |
| equação de estado | descreve as propriedades da matéria sob determinadas condições físicas |
| equilíbrio | equilíbrio térmico estabelecido entre dois objetos ou partes dentro de um sistema |
| variável extensa | variável que é proporcional à quantidade de matéria no sistema |
| primeira lei da termodinâmica | a mudança na energia interna para qualquer transição entre dois estados de equilíbrio é\(ΔE_{int}=Q−W\) |
| variável intensiva | variável que é independente da quantidade de matéria no sistema |
| energia interna | média da energia mecânica total de todas as moléculas ou entidades no sistema |
| processo isobárico | processo durante o qual a pressão do sistema não muda |
| processo isocórico | processo durante o qual o volume do sistema não muda |
| processo isotérmico | processo durante o qual a temperatura do sistema permanece constante |
| capacidade térmica molar a pressão constante | quantifica a proporção da quantidade de calor adicionada removida à temperatura enquanto mede a pressão constante |
| capacidade térmica molar em volume constante | quantifica a proporção da quantidade de calor adicionada removida à temperatura enquanto mede em volume constante |
| sistema aberto | sistema que pode trocar energia e/ou matéria com seus arredores |
| processo quase estático | evolução de um sistema que vai tão lentamente que o sistema envolvido está sempre em equilíbrio termodinâmico |
| processo reversível | processo que pode ser revertido para restaurar o sistema e seu ambiente de volta aos seus estados originais juntos |
| arredores | ambiente que interage com um sistema aberto |
| processo termodinâmico | maneira pela qual um estado de um sistema pode mudar do estado inicial para o estado final |
| sistema termodinâmico | objeto e foco do estudo termodinâmico |
Equações-chave
| Equação de estado para um sistema fechado | \(f(p,V,T)=0\) |
| Trabalho em rede para uma mudança finita no volume | \(W=∫^{V_2}_{V_1}pdV\) |
| Energia interna de um sistema (energia total média) | \(E_{int}=\sum_i(\bar{K_i}+\bar{U_i})\), |
| Energia interna de um gás monoatômico ideal | \(E_{int}=nN_A(\frac{3}{2}k_BT)=\frac{3}{2}nRT\) |
| Primeira lei da termodinâmica | \(ΔE_{int}=Q−W\) |
| Capacidade de calor molar em pressão constante | \(C_p=C_V+R\) |
| Razão das capacidades de calor molar | \(γ=C_p/C_V\) |
| Condição para um gás ideal em um processo adiabático quase estático | \(pV^γ=constant\) |
Resumo
3.2 Sistemas termodinâmicos
- Um sistema termodinâmico, seus limites e seus arredores devem ser definidos com todas as funções dos componentes totalmente explicadas antes que possamos analisar uma situação.
- O equilíbrio térmico é alcançado com dois objetos se um terceiro objeto estiver em equilíbrio térmico com os outros dois separadamente.
- Uma equação geral de estado para um sistema fechado tem a forma\(f(p,V,T)=0\), com um gás ideal como exemplo ilustrativo.
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
- A energia interna de um sistema termodinâmico é uma função do estado e, portanto, é única para cada estado de equilíbrio do sistema.
- O aumento na energia interna do sistema termodinâmico é dado pelo calor adicionado ao sistema menos o trabalho realizado pelo sistema em qualquer processo termodinâmico.
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.
- Um processo quase estático ocorre tão lentamente que o sistema envolvido está sempre em equilíbrio termodinâmico.
- Um processo reversível é aquele que pode ser feito para refazer seu caminho e tanto a temperatura quanto a pressão são uniformes em todo o sistema.
- Existem vários tipos de processos termodinâmicos, incluindo (a) isotérmico, em que a temperatura do sistema é constante; (b) adiabático, onde nenhum calor é trocado pelo sistema; (c) isobárico, onde a pressão do sistema é constante; e (d) isocórico, onde o volume do sistema é constante.
- Como consequência da primeira lei da termodimania, aqui está um resumo dos processos termodimáticos:
- (a) isotérmico:\(ΔE_{int}=0,Q=W\);
- (b) adiabático:\(Q=0,ΔE_{int}=−W\);
- (c) isobárico:\(ΔE_{int}=Q−W\); e
- (d) isocórico:\(W=0,ΔE_{int}=Q\).
3.6 Capacidades de calor de um gás ideal
- Para um gás ideal, a capacidade molar em pressão constante\(C_p\) é dada por\(C_p=C_V+R=dR/2+R\), onde d é o número de graus de liberdade de cada molécula/entidade no sistema.
- Um gás real tem um calor específico próximo, mas um pouco maior do que o gás ideal correspondente com\(C_p≃C_V+R\).
3.7 Processos adiabáticos para um gás ideal
- Uma expansão adiabática quase estática de um gás ideal produz uma curva de pV mais íngreme do que a da isoterma correspondente.
- Uma expansão realista pode ser adiabática, mas raramente quase estática.