Primeira lei da Termodinâmica 

A Primeira Lei da Termodinâmica é uma das leis fundamentais da física e descreve a conservação de energia em sistemas que trocam calor e realizam trabalho. Ela estabelece que a energia total de um sistema isolado é constante, ou seja, a energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada.

Origem da Termodinâmica

A termodinâmica surgiu como um campo de estudo no século XIX, com o objetivo de entender como o calor se relaciona com outras formas de energia, especialmente o trabalho mecânico. Os primeiros estudos de termodinâmica foram impulsionados pela necessidade de melhorar o desempenho das máquinas a vapor, que moviam a Revolução Industrial.

Cientistas como James Prescott Joule e Rudolf Clausius foram fundamentais para o desenvolvimento da termodinâmica. Joule demonstrou a equivalência entre calor e trabalho mecânico, enquanto Clausius formulou a primeira lei da termodinâmica em termos modernos, baseando-se na conservação da energia.

Troca de Trabalho entre um Gás e o Meio

O trabalho realizado por um gás ocorre quando o gás expande ou comprime contra um meio externo. Quando um gás se expande, ele realiza trabalho sobre o meio ao "empurrar" as paredes de um recipiente ou um pistão. Se o gás é comprimido, o trabalho é realizado sobre o gás pelo meio externo.

O trabalho W realizado por um gás em expansão ou compressão é dado pela fórmula:

Trabalho = pressão * variação de volume

Essa relação mostra que, quando o volume de um gás aumenta (expansão), ele realiza trabalho positivo, e quando o volume diminui (compressão), o trabalho realizado sobre o gás é negativo. A troca de trabalho entre um gás e o meio é um aspecto fundamental em motores térmicos e sistemas de refrigeração.

Calor Trocado entre um Gás e o Meio

O calor é a energia térmica que flui de um corpo para outro devido a uma diferença de temperatura. Quando um gás recebe calor de um meio externo, ele pode usar essa energia para aumentar sua temperatura, realizar trabalho ou ambos. Se o gás perde calor, sua temperatura pode diminuir ou ele pode ser comprimido.

O calor trocado Q entre um gás e o meio depende de como o processo ocorre. Por exemplo, em uma transformação isotérmica (temperatura constante), todo o calor recebido pelo gás é usado para realizar trabalho, pois sua temperatura não muda. Já em uma transformação isocórica (volume constante), todo o calor recebido vai para aumentar a energia interna do gás, já que não há trabalho realizado.

Energia Interna de um Gás Ideal

A energia interna de um gás ideal é a soma das energias cinéticas das moléculas que o compõem. Para um gás ideal, a energia interna depende apenas da temperatura, não do volume ou da pressão. Quanto maior a temperatura do gás, maior será a energia cinética média de suas moléculas e, portanto, maior será sua energia interna.

A variação da energia interna ΔU de um gás ideal é diretamente proporcional à variação de temperatura:

Variação da energia interna = calor específico * variação de temperatura

Como a energia interna está relacionada apenas à temperatura, qualquer mudança na energia interna de um gás ideal significa que houve uma mudança em sua temperatura.

Primeira Lei da Termodinâmica

A Primeira Lei da Termodinâmica pode ser expressa da seguinte maneira: a variação da energia interna de um sistema é igual à diferença entre o calor trocado com o meio e o trabalho realizado pelo sistema. Em termos matemáticos, isso pode ser escrito como:

Variação da energia interna = calor trocado - trabalho realizado

Isso significa que a energia que entra no sistema na forma de calor pode ser usada para aumentar a energia interna ou para realizar trabalho. Da mesma forma, o trabalho realizado pelo sistema pode reduzir a energia interna se não houver calor suficiente sendo fornecido.

A primeira lei aplica-se a todos os processos termodinâmicos e é uma consequência direta do princípio da conservação de energia. Por exemplo, em um motor térmico, parte do calor fornecido ao gás é convertido em trabalho útil, enquanto outra parte aumenta a energia interna do gás.