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    Primeira Lei da Termodinâmica: Definição e Exemplo

    As leis da termodinâmica são algumas das leis mais importantes de toda a física, e entender como aplicar cada uma delas é uma habilidade crucial para qualquer estudante de física.

    A primeira lei da termodinâmica é essencialmente uma declaração da conservação de energia, mas há muitos usos para essa formulação específica que você precisará entender se quiser resolver problemas que envolvem coisas como motores a quente.

    Aprendendo o que é adiabático, isobárico, isocórico e isotérmico os processos são e como aplicar a primeira lei da termodinâmica nessas situações, ajuda a descrever matematicamente o comportamento de um sistema termodinâmico à medida que evolui com o tempo.
    Energia interna, trabalho e calor

    A primeira lei da termodinâmica - como as outras leis da termodinâmica - requer uma compreensão de alguns termos-chave. A energia interna de um sistema é uma medida da energia cinética total e da energia potencial de um sistema isolado de moléculas; intuitivamente, isso apenas quantifica a quantidade de energia contida no sistema.
    Trabalho termodinâmico - é a quantidade de trabalho que um sistema realiza no ambiente, por exemplo, pela expansão induzida pelo calor de um sistema. um gás empurrando um pistão para fora. Este é um exemplo de como a energia térmica em um processo termodinâmico pode ser convertida em energia mecânica e é o princípio básico por trás da operação de muitos motores.

    Por sua vez, calor
    ou < em> energia térmica
    é a transferência de energia termodinâmica entre dois sistemas. Quando dois sistemas termodinâmicos estão em contato (não separados por um isolador) e estão em temperaturas diferentes, a transferência de calor ocorre dessa maneira, do corpo mais quente para o mais frio. Todas essas três quantidades são formas de energia, e são medidas em joules.
    A Primeira Lei da Termodinâmica

    A primeira lei da Termodinâmica declara que o calor adicionado ao sistema aumenta sua energia interna, enquanto o trabalho realizado pelo sistema reduz a energia interna. Em símbolos, você usa UU para indicar a mudança na energia interna, Q
    para representar a transferência de calor e W
    para o trabalho realizado pelo sistema, e portanto, a primeira lei da termodinâmica é:
    \u003dU \u003d Q - W

    A primeira lei da termodinâmica relaciona a energia interna do sistema a duas formas de transferência de energia que podem ocorrer e, como tal, é melhor pensar como uma declaração da lei de conservação de energia.

    Quaisquer alterações na energia interna do sistema advêm da transferência de calor ou do trabalho realizado, com a transferência de calor para o sistema e para o trabalho feito no sistema, aumentando a energia interna, e transferência de calor do sistema e o trabalho feito , reduzindo a energia interna. A expressão em si é fácil de usar e entender, mas encontrar expressões válidas para a transferência de calor e o trabalho feito para usar na equação pode ser um desafio em alguns casos.
    Exemplo da Primeira Lei da Termodinâmica

    Calor Os motores são um tipo comum de sistema termodinâmico que pode ser usado para entender os conceitos básicos da primeira lei da termodinâmica. Os motores térmicos convertem essencialmente a transferência de calor em trabalho utilizável por meio de um processo de quatro etapas que envolve a adição de calor a um reservatório de gás para aumentar sua pressão, expandindo em volume como resultado, reduzindo a pressão à medida que o calor é extraído do gás e finalmente o gás sendo comprimido (ou seja, reduzido em volume) à medida que o trabalho é feito para trazê-lo de volta ao estado original do sistema e iniciar o processo novamente.

    Esse mesmo sistema é geralmente idealizado como < em> Ciclo de Carnot
    , no qual todos os processos são reversíveis e não envolvem alterações na entropia, com um estágio de expansão isotérmica (ou seja, na mesma temperatura), um estágio de expansão adiabática (sem transferência de calor), um estágio de compressão isotérmica e um estágio de compressão adiabática para trazê-lo de volta ao estado original.

    Ambos os processos (o ciclo de Carnot idealizado e o ciclo do motor de calor) geralmente são plotados em um PV diagrama de diagrama (também chamado de gráfico pressão-volume) et Essas duas grandezas estão relacionadas pela lei dos gases ideais, que declara:
    PV \u003d nRT

    Onde P
    \u003d pressão, V
    \u003d volume, n
    \u003d número de mols do gás, R
    \u003d constante universal do gás \u003d 8,314 J mol -1 K -1 e T
    \u003d temperatura. Em combinação com a primeira lei da termodinâmica, essa lei pode ser usada para descrever os estágios de um ciclo de motor térmico. Outra expressão útil fornece a energia interna U
    para um gás ideal:
    U \u003d \\ frac {3} {2} nRT O ciclo do mecanismo de calor

    Uma abordagem simples para analisar o calor O ciclo do motor é imaginar o processo ocorrendo em uma caixa reta na plotagem PV
    , com cada estágio ocorrendo a uma pressão constante (um processo isobárico) ou um volume constante (um processo isocórico) .

    Primeiro, começando em V
    1, o calor é adicionado e a pressão sobe de P
    1 para P
    2, e como o volume permanece constante, você sabe que o trabalho realizado é zero. Para enfrentar esse estágio do problema, você faz duas versões da lei dos gases ideais para o primeiro e o segundo estado (lembrando que V
    e n
    são constantes): P
    1 V
    1 \u003d nRT
    1 e P
    2 V
    1 \u003d nRT
    2 e subtrai o primeiro do segundo para obter:
    V_1 (P_2-P_1) \u003d nR (T_2-T_1)

    Resolvendo a alteração em a temperatura indica:
    (T_2 - T_1) \u003d \\ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}

    Se você procurar a mudança na energia interna, poderá inseri-la na expressão energia interna < em> U
    para obter:
    \\ begin {alinhado} &U &\u003d \\ frac {3} {2} nR∆T \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac {3} {2} nR \\ bigg ( \\ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR} \\ bigg) \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac {3} {2} V_1 (P_2-P_1) \\ end {alinhado}

    Para o segundo estágio no ciclo, o volume do gás se expande (e assim o gás funciona) e mais calor é adicionado no processo (para manter uma temperatura constante). Nesse caso, o trabalho W
    realizado pelo gás é simplesmente a mudança de volume multiplicada pela pressão P
    2, que fornece:
    W \u003d P_2 (V_2 -V_1)

    E a mudança de temperatura é encontrada com a lei ideal dos gases, como antes (exceto mantendo P
    2 como constante e lembrando que o volume muda), para ser:
    T_2 - T_1 \u003d \\ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}

    Se você quiser descobrir a quantidade exata de calor adicionada, pode usar a equação específica do calor a uma pressão constante para encontrá-la. No entanto, você pode calcular diretamente a energia interna do sistema neste momento, como antes:
    \\ begin {alinhado} &U &\u003d \\ frac {3} {2} nR∆T \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac { 3} {2} nR \\ bigg (\\ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR} \\ bigg) \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac {3} {2} P_2 (V_2 - V_1) \\ end {alinhado}

    O terceiro estágio é essencialmente o inverso do primeiro estágio, de modo que a pressão diminui a um volume constante (desta vez V - 2), e o calor é extraído do gás. Você pode trabalhar no mesmo processo com base na lei ideal dos gases e na equação para obter a energia interna do sistema:
    ∆U \u003d - \\ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)

    Observe o sinal de menos, desta vez, porque a temperatura (e, portanto, a energia) diminuiu.

    Finalmente, o último estágio vê o volume diminuir à medida que o trabalho é feito com o gás e o calor extraído em um processo isobárico, produzindo uma expressão muito semelhante à última vez para o trabalho, exceto com um sinal de menos à esquerda:
    W \u003d -P_1 (V_2 -V_1)

    O mesmo cálculo fornece a mudança na energia interna que:
    ∆U \u003d - \\ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1) Outras leis da termodinâmica

    A primeira lei da termodinâmica é sem dúvida a mais útil para um físico, mas as outras três principais leis valem uma breve mencione também (embora eles sejam abordados com mais detalhes em outros artigos). A lei zero da termodinâmica afirma que, se o sistema A está em equilíbrio térmico com o sistema B e o sistema B está em equilíbrio com o sistema C, então o sistema A está em equilíbrio com o sistema C.

    A segunda lei da termodinâmica declara que a entropia de qualquer sistema fechado tende a aumentar.
    Finalmente, a terceira lei da termodinâmica afirma que a entropia de um sistema se aproxima de um valor constante à medida que a temperatura se aproxima do zero absoluto.

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