Primeira lei da termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica é um conceito fundamental no estudo da química e da física. Também é conhecida como a lei da conservação de energia. Esta lei afirma que a energia não pode ser criada ou destruída em um sistema isolado. Isso significa que a energia total de um sistema isolado permanece constante. Em vez disso, a energia pode apenas ser convertida de uma forma para outra ou transferida de uma parte do sistema para outra. Vamos entender a primeira lei da termodinâmica em profundidade.

Entendendo energia

Antes de mergulharmos na primeira lei da termodinâmica, é importante entender o conceito de energia. Energia é a capacidade de realizar trabalho ou produzir calor. Ela existe em várias formas, incluindo energia cinética, energia potencial, energia térmica, energia química e energia elétrica, etc. A unidade de medida de energia no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o joule (J).

Energia cinética é a energia que um objeto possui devido ao seu movimento. Por exemplo, um carro em movimento ou um rio fluindo tem energia cinética. A fórmula para calcular a energia cinética é:

EC = 0,5 * m * v²

Onde m é a massa do objeto e v é sua velocidade.

Energia potencial é a energia armazenada em um objeto devido à sua posição ou estado. Por exemplo, um arco esticado ou um livro em uma prateleira tem energia potencial. Uma das formas de energia potencial é a energia potencial gravitacional, que é calculada como segue:

EP = m * g * h

onde m é a massa, g é a aceleração devido à gravidade, e h é a altura acima do ponto de referência.

Declarada na lei

Agora que temos uma compreensão básica de energia, vamos explicar a primeira lei da termodinâmica de forma simples: A mudança na energia interna de um sistema é igual ao calor adicionado ao sistema menos o trabalho realizado sobre o sistema.

Matematicamente, a primeira lei da termodinâmica é expressa da seguinte forma:

ΔU = Q - W

Onde:

• ΔU é a mudança na energia interna do sistema.
• Q é o calor adicionado ao sistema.
• W é o trabalho realizado pelo sistema.

Essa equação implica que quando um sistema absorve calor (Q é positivo), sua energia interna aumenta. Inversamente, se o sistema realiza trabalho (W é positivo), sua energia interna diminui.

Exemplos da primeira lei

Vamos considerar alguns cenários para entender melhor como a primeira lei da termodinâmica funciona em diferentes sistemas.

Exemplo 1: Gás em um cilindro

Imagine um gás confinado em um cilindro contendo um pistão. Se aquecemos o gás, a energia é transferida para o gás na forma de calor (Q). Isso faz com que o gás se expanda e realize trabalho (W) sobre o pistão, empurrando-o para cima. De acordo com a primeira lei, a mudança na energia interna (ΔU) do gás depende do calor adicionado e do trabalho realizado.

ΔU = Q - W

Se 500 joules de energia térmica são adicionados ao gás, e o gás realiza 200 joules de trabalho no pistão, a mudança na energia interna será:

ΔU = 500 J - 200 J = 300 J

Assim, a energia interna do gás aumentou em 300 joules.

Exemplo 2: Fervendo água em um recipiente fechado

Considere ferver água em um recipiente fechado e rígido. À medida que o calor é adicionado ao sistema, a temperatura da água aumenta. No entanto, como o recipiente é rígido e não pode expandir, nenhum trabalho é realizado (W = 0). Portanto, todo o calor adicionado ao sistema vai diretamente para aumentar a energia interna do sistema.

ΔU = Q - 0 = Q

Se 1000 joules de calor forem adicionados, a mudança na energia interna também será de 1000 joules.

Visualizando a primeira lei

Vamos ver como esses conceitos podem ser visualizados. Considere o simples exemplo de um gás em um cilindro com um pistão móvel, o que ajuda a visualizar a transformação e transferência de energia:

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