1ª Lei da Termodinâmica [Física]

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A termodinâmica é um ramo da física que lida com a energia e o trabalho de um sistema. A termodinâmica lida apenas com a resposta em larga escala de um sistema que podemos observar e medir em experimentos. Interações de gases de pequena escala são descritas pela teoria cinética de gases. Existem três leis principais da termodinâmica que são descritas em slides separados. Cada lei leva à definição de propriedades termodinâmicas que nos ajudam a entender e prever o funcionamento de um sistema físico. Apresentaremos alguns exemplos simples dessas leis e propriedades para uma variedade de sistemas físicos, embora estejamos mais interessados ​​na termodinâmica de sistemas de propulsão e fluxos de alta velocidade. Felizmente, muitos dos exemplos clássicos da termodinâmica envolvem dinâmica de gás.

A quantidade de trabalho depende não apenas dos estados inicial e final do gás, mas também do processo ou caminho que produz o estado final. Da mesma forma, a quantidade de calor transferida para ou a partir de um gás também depende dos estados inicial e final e do processo que produz o estado final. Muitas observações de gases reais mostraram que a diferença do fluxo de calor para o gás e o trabalho feito pelo gás depende apenas dos estados inicial e final do gás e não depende do processo ou caminho que produz o estado final.

 Isso sugere a existência de uma variável adicional, chamada de energia interna do gás, que depende apenas do estado do gás e não de qualquer processo. A energia interna é uma variável de estado, assim como a temperatura ou a pressão. A primeira lei da termodinâmica define a energia interna (E) como igual à diferença da transferência de calor (Q) em um sistema e o trabalho (W) feito pelo sistema:

E2 – E1 = Q – W

A energia interna é apenas uma forma de energia como a energia potencial de um objeto a alguma altura acima da terra, ou a energia cinética de um objeto em movimento. Da mesma forma que a energia potencial pode ser convertida em energia cinética enquanto se conserva a energia total do sistema, a energia interna de um sistema termodinâmico pode ser convertida em energia cinética ou potencial. Como energia potencial, a energia interna pode ser armazenada no sistema.Observe, no entanto, que o calor e o trabalho não podem ser armazenados ou conservados independentemente, pois dependem do processo. A primeira lei da termodinâmica permite que muitos estados possíveis de um sistema existam, mas apenas certos estados são encontrados na natureza. A segunda lei da termodinâmica ajuda a explicar essa observação.

Se um sistema estiver totalmente isolado do ambiente externo, é possível ter uma mudança de estado na qual nenhum calor é transferido para o sistema. Os cientistas referem-se a um processo que não envolve a transferência de calor como um processo adiabático. A implementação da primeira lei da termodinâmica para gases introduz outra variável de estado útil chamada entalpia, que é descrita em uma página separada.

Qual é a 1ª Lei da Termodinâmica?

A Primeira Lei da Termodinâmica afirma que o calor é uma forma de energia, e os processos termodinâmicos estão, portanto, sujeitos ao princípio da conservação de energia. Isto significa que a energia térmica não pode ser criada ou destruída. Pode, no entanto, ser transferido de um local para outro e convertido para e de outras formas de energia. 

A termodinâmica  é o ramo da física que lida com as relações entre o calor e outras formas de energia. Em particular, descreve como a energia térmica é convertida para e de outras formas de energia e como isso afeta a matéria. Os princípios fundamentais da termodinâmica são expressos em quatro leis.

A Primeira Lei diz que a energia interna de um sistema tem que ser igual ao trabalho que está sendo feito no sistema, mais ou menos o calor que flui dentro ou fora do sistema e qualquer outro trabalho que é feito no sistema. Trata-se de uma reformulação da conservação de energia.

A mudança na energia interna de um sistema é a soma de todas as entradas e saídas de energia para e do sistema de forma semelhante a como todos os depósitos e saques que você faz determinam as mudanças em sua conta bancária, como: Δ U  =  Q  –  W , onde Δ U  é a mudança na energia interna,  Q  é o calor adicionado ao sistema e  W  é o trabalho feito pelo sistema. 

Os cientistas do final do século 18 e início do século 19 aderiram à teoria calórica, proposta por Antoine Lavoisier em 1783, e reforçada pelo trabalho de Sadi Carnot em 1824. A teoria calórica tratava o calor como uma espécie de fluido que naturalmente fluía das regiões quentes para as frias, assim como a água flui dos lugares altos para os baixos. Quando esse fluido calórico fluía de uma região quente para uma fria, ele podia ser convertido em energia cinética  e feito para funcionar, da mesma forma que a água em queda poderia dirigir uma roda d’água. Não foi até que Rudolph Clausius publicou “The Mechanical Theory of Heat”, em 1879, que a teoria calórica foi finalmente resolvida. 

Sistemas Termodinâmicos

A energia pode ser dividida em duas partes. Uma é a nossa contribuição macroscópica em escala humana, como um pistão se movendo e empurrando um sistema de gás. Por outro lado, as coisas acontecem em uma escala muito pequena, onde não podemos acompanhar as contribuições individuais. 

Quando colocamos duas amostras de metal uma contra a outra, e os átomos estão sacolejando na fronteira, e dois átomos se refletem um no outro, e um deles sai mais rápido do que o outro, não conseguimos acompanhar isso. Acontece em uma escala de tempo muito pequena e uma distância muito pequena, e isso acontece muitas, muitas vezes por segundo. Então, nós apenas dividimos toda a transferência de energia em dois grupos: as coisas que vamos acompanhar e as coisas que não vamos acompanhar. O último destes é o que chamamos de calor.

Os sistemas termodinâmicos são geralmente considerados abertos, fechados ou isolados. Um sistema aberto livremente troca energia e matéria com o ambiente ao seu redor; um sistema fechado troca energia, mas não importa com o ambiente; e um sistema isolado não troca energia ou matéria com seu entorno. Por exemplo, uma panela de sopa fervente recebe energia do fogão, irradia calor da panela e emite matéria na forma de vapor, que também retém a energia térmica. Este seria um sistema aberto. Se colocarmos uma tampa bem fechada no pote, ela ainda irradia energia térmica, mas não mais emitirá matéria na forma de vapor. Este seria um sistema fechado. No entanto, se colocássemos a sopa em uma garrafa térmica perfeitamente isolada e selássemos a tampa, não haveria energia ou matéria entrando ou saindo do sistema. Este seria um sistema isolado. 

Na prática, no entanto, sistemas perfeitamente isolados não podem existir. Todos os sistemas transferem energia para o meio ambiente através da radiação, independentemente de quão bem isolados estejam. A sopa na garrafa térmica só ficará quente por algumas horas e chegará à temperatura ambiente no dia seguinte. Em outro exemplo, as estrelas anãs brancas, os remanescentes quentes de estrelas queimadas que não produzem mais energia, podem ser isoladas por anos-luz de vácuo quase perfeito no espaço interestelar, mas eventualmente se resfriarão de várias dezenas de milhares de graus. para perto do zero absoluto devido à perda de energia através da radiação. Embora esse processo demore mais do que a idade atual do universo, não há como pará-lo.

A aplicação prática mais comum da Primeira Lei é o motor térmico. Os motores térmicos convertem energia térmica em energia mecânica e vice-versa. A maioria dos motores de calor se enquadra na categoria de sistemas abertos. O princípio básico de um motor térmico explora as relações entre calor, volume e pressão de um fluido de trabalho. Este fluido é tipicamente um gás, mas em alguns casos pode sofrer mudanças de fase de gás para líquido e de volta para um gás durante um ciclo. 

Quando o gás é aquecido, ele se expande; no entanto, quando esse gás é confinado, aumenta a pressão. Se a parede inferior da câmara de confinamento é o topo de um pistão móvel, esta pressão exerce uma força sobre a superfície do pistão fazendo com que ele se mova para baixo. Este movimento pode então ser aproveitado para fazer um trabalho igual à força total aplicada ao topo do pistão multiplicado pela distância que o pistão se move. 

Existem inúmeras variações no motor térmico básico. Por exemplo, os motores a vapor contam com combustão externa para aquecer um tanque de caldeira contendo o fluido de trabalho, normalmente água. A água é convertida em vapor e a pressão é usada para acionar um pistão que converte energia térmica em energia mecânica. Motores de automóveis, no entanto, usam combustão interna , onde o combustível líquido é vaporizado, misturado com o ar e inflamado dentro de um cilindro acima de um pistão móvel, dirigindo-o para baixo. 

Refrigeradores e bombas de calor são motores térmicos que convertem energia mecânica em calor. A maioria deles se enquadra na categoria de sistemas fechados. Quando um gás é comprimido, sua temperatura aumenta. Este gás quente pode então transferir calor para o ambiente circundante. Então, quando o gás comprimido é expandido, sua temperatura fica mais fria do que antes de ser comprimida, porque parte de sua energia térmica foi removida durante o ciclo quente. Este gás frio pode então absorver a energia térmica do seu ambiente. Este é o principal trabalho por trás de um ar condicionado. Os condicionadores de ar não produzem realmente frio; eles removem o calor. O fluido de trabalho é transferido para o exterior por uma bomba mecânica, onde é aquecido por compressão. Em seguida, transfere esse calor para o ambiente externo, geralmente através de um trocador de calor refrigerado a ar. 

Uma bomba de calor é simplesmente um ar condicionado executado em sentido inverso. O calor do fluido de trabalho comprimido é usado para aquecer o edifício. É então transferido para fora, onde se expande e se torna frio, permitindo assim que ele absorva o calor do ar externo, que mesmo no inverno é geralmente mais quente que o fluido de trabalho a frio. 

Os sistemas de ar condicionado e bomba de calor geotérmica ou subterrânea usam longos tubos em forma de U em poços profundos ou uma série de tubos horizontais enterrados em uma grande área através da qual o fluido de trabalho é circulado e o calor é transferido para a terra. Outros sistemas usam rios ou água do oceano para aquecer ou resfriar o fluido de trabalho. 

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