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Primeira Lei da Termodinâmica

1850

Julius Robert von Mayer
James Prescott Joule
Hermann von Helmholtz
Rudolf Clausius

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

A Primeira Lei é uma declaração da conservação de energia. It posits that the change in a closed system’s internal energy ([latex]\Delta U[/latex]) is equal to the heat supplied to the system ([latex]Q[/latex]) minus the work done by the system on its surroundings ([latex]W[/latex]). The governing equation is [latex]\Delta U = Q – W[/latex]. This law links heat, work, and internal energy, establishing heat as a form of energy transfer.

A Primeira Lei da Termodinâmica generalizou o princípio da conservação de energia, anteriormente conhecido na mecânica, para incluir o calor. Sua formulação representou um grande avanço na física, pois refutou definitivamente a teoria calórica vigente, que considerava o calor um fluido sem peso. Os experimentos de James Joule na década de 1840, que demonstraram o equivalente mecânico do calor, foram cruciais para estabelecer que calor e trabalho são mutuamente conversíveis.

A lei introduz a energia interna ([latex]U[/latex]) como uma função de estado, o que significa que seu valor depende apenas do estado atual do sistema, e não de como ele chegou a esse estado. Em contraste, o calor ([latex]Q[/latex]) e o trabalho ([latex]W[/latex]) são grandezas de processo que dependem da trajetória. A forma diferencial da lei é [latex]dU = delta Q − delta W[/latex]. Para um processo cíclico, no qual o sistema retorna ao seu estado inicial, a variação da energia interna é zero ([latex]Delta U = 0[/latex]), portanto, o calor líquido fornecido é igual ao trabalho líquido realizado. Esse princípio é a base de todas as máquinas térmicas. A lei também implica a impossibilidade de uma máquina de movimento perpétuo de primeira espécie — uma máquina que produz trabalho sem qualquer entrada de energia.

Desenvolvimento de produto em circuito fechado, Energia, Entalpia, Tratamento térmico, Engenharia Mecânica, Otimização de Processos, Gestão da Qualidade, Termodinâmica

UNESCO Nomenclature: 2212

Termodinâmica, física estatística e matéria condensada

Tipo

Sistema abstrato

Interrupção

Revolucionário

Uso

Uso generalizado

Precursores

Sadi Carnot’s analysis of heat engines and thermodynamic cycles
Experimentos de James Joule sobre o equivalente mecânico do calor
rejeição da teoria calórica do calor
Princípio da conservação de energia na mecânica, conforme formulado por Leibniz e outros.

Aplicações

motores térmicos (combustão interna, turbinas a vapor)
Refrigeradores, condicionadores de ar e bombas de calor
Análise de reações químicas (cálculos de entalpia)
projeto de usinas de energia e análise de eficiência
Calorimetria nutricional para calcular a energia dos alimentos (calorias)

Patentes:

Ideias de Inovação Potencial

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Relacionado a: primeira lei da termodinâmica, conservação de energia, energia interna, calor, trabalho, termodinâmica, entalpia, sistema fechado, função de estado, movimento perpétuo.

Contexto histórico

Laboratório do século XIX com instrumentos termodinâmicos e equações da relação de Mayer.

Relação de Mayer (termodinâmica)

A relação de Mayer relaciona os calores específicos de um gás perfeito com a constante específica dos gases (R_s). A relação é c_p - c_v = R_s. Para calores específicos molares (C_p e C_v), a relação é C_p - C_v = R, onde R é a constante universal dos gases. Isso demonstra que c_p é sempre maior que c_v.

19th-century laboratory with physicists studying energy conservation principles.

Conservação de Energia

Um princípio fundamental afirma que a energia total de um sistema isolado permanece constante ao longo do tempo. A energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada de uma forma em outra, como de energia potencial para energia cinética. Na mecânica clássica, para sistemas com apenas forças conservativas, a energia mecânica total [latex]E = T + V[/latex] é conservada.

Laboratory setup for measuring viscosity of fluids at varying temperatures in thermodynamics.

Dependência da viscosidade em relação à temperatura

Para um fluido newtoniano, a viscosidade é função da temperatura e da pressão, mas não da taxa de cisalhamento. Em líquidos, a viscosidade diminui significativamente com o aumento da temperatura, porque a maior energia térmica permite que as moléculas superem as forças intermoleculares coesivas com mais facilidade. Por outro lado, em gases, a viscosidade aumenta com a temperatura, pois colisões moleculares mais frequentes em velocidades mais altas levam a uma maior transferência de momento.

Primeira Lei da Termodinâmica

Chemist conducting experiments with catalysts in a vintage laboratory setting, 1850.

Catalisador em Equilíbrio Químico

Um catalisador aumenta a velocidade das reações direta e inversa igualmente, fornecendo uma via de reação alternativa com menor energia de ativação. Embora um catalisador permita que um sistema atinja o equilíbrio muito mais rapidamente, ele não altera a posição do equilíbrio em si. As concentrações de equilíbrio dos reagentes e produtos, bem como o valor da constante de equilíbrio K, permanecem inalterados.

19th-century chemist measuring gas volumes illustrating the Ideal Gas Law in thermodynamics.

Lei dos Gases Ideais (Forma Molar)

A lei dos gases ideais é a equação de estado para um gás ideal hipotético, aproximando o comportamento de muitos gases sob diversas condições. A forma molar relaciona a pressão ([latex]P[/latex]), o volume ([latex]V[/latex]), a quantidade de substância em moles ([latex]n[/latex]) e a temperatura absoluta ([latex]T[/latex]) através da constante universal dos gases ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT[/latex].

Laboratory apparatus for measuring vapor pressure and temperature in thermodynamics.

Relação Clausius-Clapeyron

A relação de Clausius-Clapeyron descreve a relação entre pressão e temperatura para uma substância em uma transição de fase, como líquido e vapor. Para o vapor de água, ela mostra que a pressão de vapor de saturação aumenta exponencialmente com a temperatura. A forma aproximada é [latex]frac{dp}{dT} = frac{L}{T(V_v - V_l)} approx frac{L p}{R_v T^2}[/latex], onde L é o calor latente.

1842

1847

1850

1841

1845

1850

1851

Demonstração do aquecimento Joule em um laboratório antigo com aparelhos elétricos.

Aquecimento Joule e energia elétrica

O aquecimento Joule, ou aquecimento ôhmico, é o fenômeno em que o calor é produzido pela passagem de uma corrente elétrica por um condutor. A taxa de geração de calor, ou potência dissipada ([latex]P[/latex]), é dada pela primeira lei de Joule, [latex]P = VI[/latex]. Combinando isso com a lei de Ohm, a potência pode ser expressa como [latex]P = I^2 R[/latex] ou [latex]P = frac{V^2}{R}[/latex].

Laboratory apparatus for measuring internal energy and enthalpy of a perfect gas in thermodynamics.

Energia interna e entalpia de um gás perfeito

Para um gás perfeito, a energia interna ([latex]U[/latex]) e a entalpia ([latex]H[/latex]) são funções apenas da temperatura. Suas variações são dadas por [latex]Delta U = m c_v Delta T[/latex] e [latex]Delta H = m c_p Delta T[/latex], onde [latex]c_v[/latex] e [latex]c_p[/latex] são os calores específicos a volume e pressão constantes, respectivamente, e são considerados constantes.

Researcher testing viscoelastic properties of synthetic polymer in a laboratory.

Viscoelasticidade

A viscoelasticidade é a propriedade dos materiais que exibem características tanto viscosas quanto elásticas quando submetidos à deformação. Materiais viscosos, como o mel, resistem ao fluxo de cisalhamento e se deformam linearmente com o tempo quando submetidos a uma tensão. Materiais elásticos, como um elástico, se deformam quando esticados e retornam rapidamente ao seu estado original assim que a tensão é removida. Os materiais viscoelásticos possuem elementos de ambos os tipos de propriedades.

Scientist measuring sublimation in a vintage laboratory, thermodynamics study.

Entalpia de sublimação

A entalpia de sublimação, ΔH_sub, é o calor necessário para converter um mol de uma substância do estado sólido para o gasoso a uma dada temperatura e pressão. De acordo com a Lei de Hess, como a entalpia é uma função de estado, essa variação de energia é a soma da entalpia de fusão (ΔH_fus) e da entalpia de vaporização (ΔH_vap).