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Primeira lei da termodinâmica / energia interna

Primeira lei da termodinâmica e energia interna. Versão original criada por Sal Khan.

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Transcrição de vídeo

RKA22JL - Já fiz vários vídeos sobre termodinâmica, tanto na lista de reprodução de Química quanto na de Física, e percebi que preciso apresentar a vocês a primeira lei da Termodinâmica. Eu acho que agora é um bom momento. A primeira lei da Termodinâmica. Ela pode ser mais complexa do que parece, mas vamos lá. É uma boa lei. Ela nos diz que a energia, farei isso em vermelho, não pode ser criada ou destruída. Ela pode apenas ser transformada de uma para outra. Então, a energia não pode ser criada ou destruída, apenas transformada. Vamos explicar melhor isso, vamos pensar em alguns exemplos. Falamos disso quando aprendemos mecânica e cinética em nossa lista de reprodução de Física e já fizemos vários exemplos como esse na lista de reprodução de Química também. Digamos que eu tenha uma pedra e eu jogue essa pedra o mais rápido que posso para cima. Não precisa ser uma pedra, pode ser uma bola. Então, eu jogo uma bola para cima. A seta representa o vetor de velocidade. A bola vai para cima. Farei isso aqui. Eu jogo uma bola e ela fica no ar. A bola desacelera devido à gravidade. Em algum ponto por aqui, a bola não terá mais velocidade, então, nesse ponto, ela vai desacelerar um pouco e, nesse outro ponto, ela vai desacelerar um pouco mais. Nesse ponto, ela ficará completamente imóvel. Depois, começará a acelerar para baixo. Na verdade, a bola estava sempre acelerando para baixo, estava acelerando para baixo, mas sua velocidade era para cima e, depois, mudou o sentido da velocidade, foi para baixo. Então, a velocidade aqui se parecerá com isso e, aqui, a velocidade se parecerá com isso. Depois, quando voltar para o chão, se desprezarmos a resistência do ar, sua velocidade terá a mesma intensidade na subida que tinha na descida. Ao olharmos para esse exemplo, e já fizemos isso milhares de vezes nos vídeos de projéteis, na lista de reprodução de Física, aqui, nós dissemos que temos energia cinética aqui, e isso faz sentido. Eu acho que, para todos nós, a energia, intuitivamente, significa que algo está acontecendo. Então, energia cinética. Energia de movimento da cinética. Está se movendo, então, possui energia. Mas quando estamos parados, claramente não temos energia cinética. Zero de energia cinética, então... Onde foi parar essa energia? Acabei de mostrar a primeira lei da Termodinâmica, aquela que diz que a energia não pode ser criada nem destruída. Porém, eu tinha muita energia cinética, e vimos isso muitas vezes, e aqui não há energia cinética nenhuma. Eu destruí a energia cinética, mas a primeira lei da Termodinâmica me diz que eu não posso fazer isso. Aquela energia cinética não foi destruída e, sim, transformada. Eu devo ter transformado aquela energia cinética em outra coisa. No caso da bola, eu transformei em energia potencial. Agora, eu tenho uma energia potencial. Eu não vou entrar na matemática disso, mas a energia potencial é apenas o potencial de transformar em outras formas de energia. Acho que esse é o modo mais fácil de fazer isso. Mas um modo de pensar sobre isso é... Olhe, a bola está em um ponto bastante alto e, por virtude de sua posição no universo, se algo não parar, ela vai cair, ela vai se mover, sua energia potencial será convertida em outra forma de energia. Agora, deixe-me fazer uma pergunta. Vamos jogar essa bola para cima e digamos que temos certa resistência do ar. Então, eu jogo a bola para cima, tenho muita energia cinética aqui. No ponto mais alto onde a bola está, tudo aqui é energia potencial e a energia cinética desapareceu. Digamos que eu tenha a resistência do ar, então, quando a bola desce novamente, o ar a desacelerou, portanto, quando ela atinge esse ponto inferior, não está mais tão rápida quanto no momento em que eu a joguei. Quando eu atinjo este ponto inferior, a bola está mais devagar do que quando eu a joguei para cima. Vamos pensar sobre o que aconteceu. Temos energia cinética aqui. Apresentarei a fórmula. A energia cinética é a massa da bola, vezes a velocidade da bola ao quadrado, sobre 2. Essa é a energia cinética. E, depois, eu a jogo. Tudo isso se transforma em energia potencial, depois, ela volta a cair e se transforma em energia cinética. Mas, por causa da resistência do ar, eu tenho uma velocidade mais baixa aqui. Eu tenho uma velocidade menor aqui. A energia cinética depende da velocidade. Eu poderia colocar um módulo aqui para mostrar que estamos lidando apenas com a intensidade da velocidade. Eu tenho uma energia cinética menor aqui. A energia cinética, aqui, é menor do que aqui, certo? Não tenho nenhuma energia potencial sobrando. Digamos que isso seja o chão. Atingimos o chão. Então, agora eu tenho um outro enigma. Quando parti da energia cinética para nenhuma energia cinética ali, posso ir para a primeira lei e perguntar o que aconteceu. A primeira lei diz: “Tudo bem, tudo se transformou em energia potencial aqui”. Você viu que ela se transformou em energia potencial, pois quando a bola acelerou para baixo, transformou-se em energia cinética. Mas eu digo: “Não, senhora primeira Lei da Termodinâmica, nesse ponto eu não tenho energia potencial.” Eu tinha toda a energia cinética e tinha muita energia cinética. Agora, nesse ponto, eu não tenho energia potencial mais uma vez, mas eu tenho menos energia cinética. A bola caiu em uma velocidade menor que quando eu havia jogado, no início. E a lei da Termodinâmica diz: “Isso é por causa do ar”. E eu diria: “Bem, eu tenho ar, mas para onde essa energia foi?”. Depois, a primeira lei da Termodinâmica diz: “Quando a bola estiver caindo...” Deixe-me ver. Esta é a bola. Farei a bola em amarelo. Quando a bola estiver caindo, ela entra em atrito com todas essas partículas. A bola entrou em atrito contra as moléculas de ar. e onde as moléculas colidiram com a parede, há um pouco de atrito. O atrito é, essencialmente, a sua bola fez essas moléculas com as quais estava colidindo vibrarem um pouco mais rápido. Se você pensar sobre isso, se voltar para o problema ou para as descrições do macroestado, microestado sobre os quais já falamos, essa bola está transferindo sua energia cinética para as moléculas de ar contra as quais entra em atrito conforme cai. Na verdade, fez isso em seu trajeto no sentido ascendente também. E essa energia cinética que você pensou ter perdido ou destruído, na parte inferior daqui, pelo fato de a bola estar em menor velocidade, a energia foi transferida para muitas partículas de ar. Agora, é quase impossível medir exatamente a energia cinética de cada partícula de ar individualmente, porque não sabemos nem quais eram os seus microestados, para começar. Mas o que podemos dizer é, em geral, eu transferi um pouco de calor a essas partículas. Aumentei a temperatura das partículas de ar pelas quais a bola passou ao entrar em atrito ou ao transferir energia cinética. Lembre-se: a temperatura é apenas uma medida de cinética e é um macroestado ou um modo bruto ou um modo macro de olhar para as energias cinéticas das moléculas individuais. É muito mais difícil medir cada uma, mas se você disser, “em média, a energia cinética é x”, você basicamente está fornecendo uma indicação de temperatura. Então, ela veio para cá, foi para o calor e o calor é outra forma de energia. A primeira lei da Termodinâmica diz, e eu ainda mantenho, que você tinha muita energia cinética transformada em potencial, que se transformou em menos energia cinética. Para onde foi o restante? Transformou-se em calor, porque transferiu a energia cinética para as partículas de ar no meio do caminho. Agora que tiramos isso do caminho, como medimos a quantidade de energia que algo contém? Aqui temos a energia interna, a energia interna de um sistema. Novamente, isso é um macroestado ou poderia chamar de macro descrição do que está acontecendo. Isso é “U” para interno. Lembro-me de que a palavra “interno” não começa com “U”, “U” para energia interna. Vou voltar para o exemplo que havia em meu vídeo anterior, se você estiver assistindo os vídeos na ordem. Eu tenho um gás com superfície removível no topo. É uma superfície móvel que pode se mover para cima ou para baixo. Há um vácuo aqui e gás aqui. A energia interna é literalmente toda a energia que está no sistema, isso inclui, para os nossos propósitos, quando você está cursando o primeiro ano de Química, a energia cinética de todos os átomos ou moléculas. No próximo vídeo, calcularei quanta energia cinética há em um recipiente. Isso será a nossa energia interna mais toda a outra energia. Esses átomos possuem energia cinética porque possuem movimento translacional se olharmos para os microestados. Se forem átomos individuais, não é possível dizer se estão girando, porque o que isso significa para um átomo girar? Porque seus elétrons, de qualquer maneira, estão simplesmente saltando. Então, se forem átomos Individuais, não podem girar. Mas se forem moléculas, podem girar. Se isso se parece mais ou menos assim. Poderia haver energia rotacional aqui, isso inclui isso. Se tivermos ligações... Então, desenhei uma molécula, que possui ligações. Essas ligações contêm alguma energia. Isso também está incluído na energia interna. Se eu tiver alguns elétrons... Vamos dizer, bem... Estou usando um gás, ele não é um bom condutor, mas digamos que esteja fazendo isso para um sólido, então estou usando as ferramentas erradas. Digamos que eu tenha algum metal. Esses são os metais. Vou fazer mais, meus átomos de metal. Neste átomo de metal, eu tenho um monte de elétrons. Essa é a mesma cor. Vou usar uma cor diferente. Tenho vários elétrons aqui e tenho menos aqui. Esses elétrons querem muito vir para cá. Talvez, eles estejam sendo impedidos por algum motivo, portanto, possuem algum potencial elétrico. Talvez, haja uma lacuna onde não podem conduzir ou algo assim. A energia interna inclui isso também. Isso é, normalmente, o que você veria em uma aula do primeiro ano de Química. Mas inclui isso, que também inclui todas as formas de energia que existem aqui. Também inclui, por exemplo, um metal. Se fôssemos aquecer esse metal, eles começam a vibrar para a esquerda e para a direita, ou para cima ou para baixo ou em todas as direções possíveis. Se você pensar em uma molécula ou em um átomo que está vibrando, ele irá daqui e, depois, vai para lá e, depois, volta para cá, para frente e para trás. Se pensarmos sobre o que está acontecendo, quando estiver no ponto mediano, possuirá muita energia cinética. Mas, nesse ponto aqui, quando estiver prestes a voltar, está completamente parado por um momento extremamente curto. Nesse momento, toda energia cinética é energia potencial. E, depois, se transforma em energia cinética, depois, volta para a energia potencial. É quase como um pêndulo ou, na verdade, é um movimento harmônico. Nesse caso, a energia interna também inclui energia cinética para as moléculas que estão se movendo rapidamente, mas também inclui as energias potenciais para as moléculas que estão vibrando, estão naquele momento onde não possuem energia cinética. Isso também inclui energia potencial. A energia interna, então, é literalmente toda a energia que está em um sistema. Grande parte do que vamos fazer... Você pode supor que estamos lidando com um gás ideal, Ao invés de... isso se torna muito mais complicado com sólidos, condutividade, vibrações e tudo o mais. Suponhamos que estamos lidando com um gás ideal. Ainda melhor, vamos supor que estamos lidando com um gás monoatômico ideal. E, talvez, isso seja apenas hélio ou neon, um dos gases ideais. Eles não querem formar ligações entre si, não querem formar moléculas entre eles. Vamos supor isso. São apenas átomos individuais. Nesse caso, a energia interna... Nós podemos simplificar isso como sendo a energia cinética, se ignorarmos todas essas outras coisas, mas é importante perceber, a energia interna é tudo, é toda a energia dentro de um sistema. Se você disse qual é a energia interna do sistema, a energia interna, então, a primeira lei da Termodinâmica diz que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas transformada. Digamos que essa energia interna esteja mudando. Tenho este sistema e dizem que a energia interna está mudando. Então, ∆U, isso é apenas uma letra que diz qual é a alteração na energia interna, diz que, se sua energia interna está mudando, seu sistema tem algo sendo feito a ele ou está fazendo algo a alguém. Alguma energia está sendo transferida para o sistema ou para longe dele. Como escrevemos isso? A primeira lei da Termodinâmica, ou mesmo a definição de energia interna, diz que a mudança na energia interna é igual ao calor adicionado ao sistema. Novamente, uma letra bastante intuitiva para o calor, porque o calor não começa com “Q”. Mas a convenção é usar “Q” para calor. A letra “H” é reservada para a entalpia, que é um conceito muito semelhante ao de calor. Falaremos sobre isso, talvez, no próximo vídeo, é igual ao calor aplicado ao sistema, menos o trabalho feito pelo sistema. E você pode ver isso de diversas formas. Às vezes, é escrito assim, às vezes é escrito que a mudança na energia interna é igual ao calor aplicado ao sistema, mais o trabalho feito no sistema. Isso, talvez, seja confuso, mas você deveria sempre, e realmente veremos isso de 100 formas diferentes nos próximos vídeos, isso é um “U” maiúsculo, mas faríamos isso de 100 formas diferentes. Se você pensar nisso, se eu estiver fazendo o trabalho, eu perco energia, eu transferi energia para alguém. Isso é trabalho sendo feito. Da mesma forma, se alguém estiver doando calor para mim, isso aumenta a minha energia, pelo menos para mim, são definições razoavelmente intuitivas. Se você vir isso, você diz: “Se minha energia interna está aumentando, se essa for uma coisa positiva, eu tenho que aumentar isso, ou o trabalho está sendo feito para mim, ou a energia está sendo transferida para o meu sistema.” Apresentarei mais exemplos do que exatamente isso significa no próximo vídeo. Eu só quero familiarizá-lo com esses dois, pois você os verá o tempo todo e pode se confundir se seu professor utilizar apenas um. Mas você deveria sempre fazer essa verificação da realidade. Ao exercer trabalho, transfere energia para alguém. Se vocês estiverem exercendo o trabalho, isso removerá, isso está removendo a sua energia interna. Da mesma forma, a transferência de calor é outra forma para que a energia vá de um sistema para outro, ou de uma entidade para outra. Se a minha energia total está aumentando, talvez o calor esteja sendo adicionado ao meu sistema. Se a minha energia estiver diminuindo, o calor está sendo retirado de meu sistema ou estou exercendo trabalho. Farei vários exemplos com isso, eu vou deixá-los com esse vídeo com algumas notas que talvez vejam. Talvez vejam que a mudança na energia interna é igual à mudança... (e eu vou escrever isso de novo) A mudança na energia interna, “U” maiúsculo, às vezes, escreverão um ∆Q que implica em uma mudança de calor, mas explicarei isso em um próximo vídeo, porque não faz muito sentido. Mas verá isso com muita frequência. Você também pode ver isso como o calor adicionado ao sistema, menos a alteração no trabalho, que é um pouco não intuitivo, porque, quando você fala sobre calor ou trabalho, você está falando sobre transferência de energia. Então, quando você fala sobre mudança na transferência, Isso só se torna um pouco... Isso só significa que... Isso só significa que o trabalho é feito por um sistema. Obviamente, se houver alguma energia, você exerce algum trabalho. Você perde aquela energia, você a transfere para alguém. Você teria um sinal de menos aqui, ou, talvez, você veja isso escrito dessa forma. A mudança na energia interna é igual ao calor adicionado. Eu não direi que esse tipo de leitura para mim representa uma alteração no calor. Chamarei isso de calor adicionado, mais o trabalho feito no sistema. Esse é o trabalho feito pelo sistema, de qualquer forma. E você não deveria decorar isso, mas apenas pensar um pouco sobre isso. Se eu estou exercendo o trabalho, perderei energia. Se o trabalho for exercido para mim, ganharei energia. Se eu perder calor, se isso for um número negativo, perderei energia. Se eu ganhar calor, ganharei energia. De qualquer forma, vou encerrar esse vídeo e, no próximo, tentaremos digerir essa fórmula da energia interna de 100 formas diferentes.