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Ciências EF: 7° ano
Curso: Ciências EF: 7° ano > Unidade 2
Lição 1: Vida e equilíbrio termodinâmicoPrimeira lei da termodinâmica
Conheça a 1ª Lei da Termodinâmica, que relaciona a energia interna de um sistema à sua temperatura e capacidade de realizar e receber trabalho.
Pontos principais
- Energia interna
- Calor
- Trabalho
Introdução
Muitas usinas e motores operam transformando energia térmica em trabalho. Isso porque um gás aquecido pode realizar trabalho em turbinas mecânicas ou pistões, fazendo com que eles se movam.
A primeira lei da termodinâmica aplica o princípio de conservação de energia a sistemas em que a transferência de energia para dentro e para fora do sistema se dá pela transferência de calor e pela realização de trabalho.
A primeira lei da termodinâmica diz que a variação na energia interna de um sistema (ΔU) é igual à transferência de calor resultante para dentro e para fora do sistema (Q), mais o trabalho resultante realizado no sistema (W). Na forma de equação, a primeira lei da termodinâmica é,
ΔU = Q + W
Ela simplesmente diz que você pode aumentar a energia interna de um sistema aquecendo-o ou realizando trabalho nele.
O que significa cada um desses termos?
Nada exemplifica a primeira lei da termodinâmica tão bem quanto um gás preso em um recipiente com um pistão móvel encaixado firmemente (como mostrado na Figura 1). Vamos considerar que o pistão possa se mover para cima e para baixo, comprimindo o gás ou permitindo que ele se expanda (mas o gás não pode sair do recipiente).
As moléculas de gás presas no recipiente são o sistema. Atente que elas se movimentam, possuindo energia cinética e temperatura maior do que o zero absoluto ou 0K.
A energia interna U desse sistema pode ser pensada como a soma de todas as energias cinéticas de todas as moléculas de gás presas dentro do recipiente. Assim, se a temperatura T do gás aumenta, as moléculas aumentam sua velocidade e a energia interna U do gás também aumenta (o que significa que ΔU é positivo).
Da mesma forma, se a temperatura T do gás diminui, as moléculas diminuem sua velocidade, e a energia interna U do gás também diminui (o que significa que ΔU é negativo).
É realmente importante lembrar que a energia interna U e a temperatura T aumentarão quando a velocidade das moléculas de gás aumentar, já que elas são, na verdade, duas maneiras de medir a mesma coisa: quanta energia há em um sistema.
Como a temperatura e a energia interna são diretamente proporcionais, temos que, se a energia interna dobrar de valor, a temperatura também dobrará.
Da mesma forma, se a temperatura não alterar seu valor, a energia interna também não irá variar.
A energia interna U desse sistema e sua temperatura podem ser aumentadas pela transferência de calor Q para o gás. Para fazer isso, basta colocar o recipiente sobre uma chama ou submergi-lo em água fervendo.
A alta temperatura do ambiente externo, em relação às paredes e ao interior do recipiente, fará com que o calor flua para o interior e aqueça o gás, fazendo com que suas moléculas se movam mais rápido. Quando o calor é absorvido e aquece o gás, Q é um número positivo.
Por outro lado, podemos diminuir a energia interna do gás transferindo calor para fora dele. Isso pode ser feito colocando o recipiente em um banho de gelo. Se o calor deixar o gás, Q será um número negativo.
Essa convenção de sinais para o calor Q está representada na Figura 2.
Como o pistão pode se mover, ele pode realizar trabalho no gás, movendo-se para baixo e comprimindo o gás.
A colisão do pistão que se move para baixo com as moléculas de gás faz com que as moléculas se movam mais rápido, aumentando a energia interna total do sistema. Se o gás for comprimido, o trabalho realizado no gás W será um número positivo.
Por outro lado, se o gás se expande e empurra o pistão para cima, um trabalho é realizado pelo gás. A colisão das moléculas de gás com o pistão que recua faz com que as moléculas se movam mais devagar, diminuindo a energia interna do gás. Se o gás se expande, o trabalho realizado no gás W é um número negativo.
Essa convenção de sinais para o trabalho W está representada na Figura 3.
Na tabela abaixo resumimos as convenções de sinais para as três grandezas da 1ª Lei da Termodinâmica:
| ΔU (variação na energia interna) | Q (calor) | W (trabalho realizado no gás) |
|---|---|---|
| + se T aumenta | + se entrar calor no gás | + se o gás for comprimido |
| − se T diminui | − se o calor deixar o gás | − se o gás se expandir |
| Zero se T for constante | Zero se não houver troca de calor | Zero se o volume for constante |
Referências
Este artigo é uma adaptação parcial do artigo The First Law of Thermodynamics, da Openstax College Physics. Baixe o artigo original gratuitamente em http://cnx.org/contents/031da8d3-b525-429c-80cf-6c8ed997733a@9.4:109/The-First-Law-of-Thermodynamic
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A expressão da Primeira Lei da Termodinâmica está incorreta. Deveria ser:
Delta U = Q - W
Inclusive, a referência utilizada aqui diz que a fórmula é essa que estou escrevendo aqui. Se fosse positivo teria que ser:
Q = W + Delta U
Mas não pode ser Delta U = Q + W(1 voto)
Olá raila.msantos, ambas as equações estão corretas, mas cada uma usa uma convenção diferente do que o W significa.
O artigo da Khan Academy define W como sendo a energia líquida que o sistema recebe na forma de trabalho( ver acima W - trabalho realizado no gás). A referência descreve W como sendo a energia que o sistema realiza no meio externo (W is the net work done by the system).
cada definição usa o valor da entrada de energia de referenciais diferentes ( meio externo e sistema), usando o princípio da conservação de energia pode se mostrar que a energia que sai do sistema é e energia que se entra na região e externa. Por isso muda-se o sinal de W conforme a convenção adotada.(3 votos)
oi eu achei esse cit legal(1 voto)