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Primeira Lei da Termodinâmica

1850
  • Julius Robert von Mayer
  • James Prescott Joule
  • Hermann von Helmholtz
  • Rudolf Clausius
Laboratory experiment demonstrating the First Law of Thermodynamics with a heat engine setup.

(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.

The First Law of Thermodynamics generalized the principle of conservação de energia, which was previously known in mechanics, to include heat. Its formulation was a major step in physics, as it definitively refuted the prevailing caloric theory, which considered heat a weightless fluid. Experiments by James Joule in the 1840s, which demonstrated the mechanical equivalent of heat, were crucial in establishing that heat and work are mutually convertible.

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.

UNESCO Nomenclature: 2212
Termodinâmica, física estatística e matéria condensada

Tipo

Sistema abstrato

Interrupção

Revolucionário

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • A análise de Sadi Carnot sobre máquinas térmicas e termodinâmica ciclos
  • 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:

NA

Ideias de Inovação Potencial

  • thermoelectric generators harvesting waste heat from vehicle exhausts
  • micro-scale heat engines powered by cellular metabolic processes for nanobots
  • advanced geothermal energy systems with closed-loop energy cycles to power cities
  • solar-powered atmospheric water harvesters using thermodynamic cycles
  • personal cooling and heating garments based on efficient micro heat pumps
  • kinetic energy recovery systems in electric vehicles with integrated thermal storage
  • criogênico energy storage systems using liquid air as an energy vector
  • osmotic power generation plants at river estuaries, optimized by first-law principles
  • direct thermal-to-electric converters for deep space probes using radioactive decay heat
  • bioreactors that optimize microbial growth by precisely managing heat and work output
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 (Rs). A relação é cp - cv = Rs. Para calores específicos molares (Cp e Cv), a relação é Cp - Cv = R, onde R é a constante universal dos gases. Isso demonstra que cp é sempre maior que cv.
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.
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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, ΔHsub, 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 (ΔHfus) e da entalpia de vaporização (ΔHvap).
Engineers designing an efficient heat engine in a laboratory, illustrating thermodynamics applications.

Segunda Lei da Termodinâmica

A Segunda Lei da Termodinâmica introduz o conceito de entropia e define a direção dos processos espontâneos. Ela pode ser enunciada de diversas maneiras, mas uma consequência fundamental é que a entropia total de um sistema isolado nunca pode diminuir com o tempo. Essa lei explica a "flecha do tempo" e por que os processos são irreversíveis, como o fluxo espontâneo de calor de um corpo quente para um corpo frio.
Laboratory scene illustrating thermodynamic experiments on the Perfect Gas Model.

O Modelo de Gás Perfeito

Um gás perfeito é um modelo teórico de um gás onde as forças intermoleculares são negligenciadas e os calores específicos (CP e CV) são considerados constantes em relação à temperatura. Isso simplifica significativamente os cálculos termodinâmicos. Trata-se de um caso específico do gás ideal, onde os calores específicos podem variar com a temperatura, tornando-o um modelo mais restrito.
19th-century laboratory scene with Ludwig Boltzmann studying the Ideal Gas Law in statistical thermodynamics.

Lei dos Gases Ideais (Forma Estatística)

A formulação da mecânica estatística da lei dos gases ideais expressa a relação em termos das propriedades microscópicas do gás. Ela relaciona a pressão ([latex]P[/latex]) e o volume ([latex]V[/latex]) ao número total de partículas ([latex]N[/latex]) e à temperatura absoluta ([latex]T[/latex]) através da constante de Boltzmann ([latex]k_B[/latex]): [latex]PV = Nk_BT[/latex].
Current-carrying conductor experiment demonstrating Thomson Effect in thermoelectricity.

Efeito Thomson

O efeito Thomson descreve o aquecimento ou resfriamento de um condutor percorrido por corrente elétrica quando existe um gradiente de temperatura ao longo de seu comprimento. O calor é produzido ou absorvido quando a corrente flui através de um material com um gradiente de temperatura. A taxa de produção de calor por unidade de comprimento é dada por [latex]frac{dQ}{dx} = -mathcal{K} J frac{dT}{dx}[/latex], onde [latex]mathcal{K}[/latex] é o coeficiente de Thomson.

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

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