Primeira Lei da Termodinâmica

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Primeira lei da termodinâmica
Apresentação
Esta Unidade de Aprendizagem apresenta os conceitos da primeira lei da termodinâmica, também 
conhecida como princípio de conservação da energia, que é um dos princípios mais fundamentais 
da natureza, e também demonstramos o seu uso. Você verá a importância do estudo da 
conservação de energia, sendo que a energia não pode ser criada nem destruída durante um 
processo; ela pode apenas mudar de forma.
Bons estudos.
Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
Explicar a primeira lei da termodinâmica.•
Identificar os balanços de energia e os mecanismos de transferência de energia para um 
sistema.
•
Demonstrar os vários problemas da primeira lei da termodinâmica encontrados na prática.•
Infográfico
No Infográfico a seguir, veja como ocorre a transferência de calor.
Aponte a câmera para o 
código e acesse o link do 
conteúdo ou clique no 
código para acessar.
https://statics-marketplace.plataforma.grupoa.education/sagah/42fdddcc-edde-437c-aa3e-4119eb0bde22/695edb2c-4450-442a-be24-8c65d2479d94.png
Conteúdo do livro
Acompanhe um trecho da obra em que são abordados os conceitos e exemplos sobre a primeira lei 
da termodinâmica.
O livro é Termodinâmica, de ÇENGE, Yunus A.. A leitura começa em Balanço de energia.
Boa leitura.
Yunus A. Çengel
Michael A. Boles
Termodinâmica
7a Edição
Inclui CD
Com versão educacional 
do programa EES para 
resolução de problemas
Catalogação na publicação: Ana Paula M. Magnus – CRB 10/2052
Ç99t Çengel, Yunus A. 
 Termodinâmica [recurso eletrônico] / Yunus A. Çengel,
 Michael A. Boles ; tradução: Paulo Maurício Costa Gomes
 ; revisão técnica: Antonio Pertence Júnior. – 7. ed. – Dados
 eletrônicos. – Porto Alegre : AMGH, 2013.
 Editado também como livro impresso em 2013.
 ISBN 978-85-8055-201-0
 1. Engenharia. 2. Termodinâmica. 3. Física – Calor.
 I. Boles, Michael A. II. Título.
CDU 621.43.016:536
Capítulo 2 Energia, Transferência de Energia e Análise Geral da Energia 71
Balanço de energia
De acordo com as discussões anteriores, o princípio de conservação da 
energia pode ser expresso da seguinte maneira: A variação líquida (aumento ou 
diminui-ção) da energia total do sistema durante um processo é igual à 
diferença entre a Went � 5 kJ
(Adiabático)
Bateria
�E � 5 kJ
� 	
FIGURA 2–42 O trabalho (elétrico) 
realizado em um sistema adiabático é igual 
ao aumento da energia do sistema.
72 Termodinâmica
energia total que entra e a energia total que sai do sistema durante esse processo. 
Ou seja, ou
Energia total
entrando no sistema
Energia total
saindo do sistema
Variação de
energia do sistema
ou
Eent � Esai � �Esistema
Essa relação é chamada de balanço de energia e se aplica a todo tipo de sistema 
passando por qualquer tipo de processo. O uso adequado dessa relação para re-
solver problemas de engenharia depende da compreensão das diversas formas de 
energia e do reconhecimento das formas de transferência de energia.
Variação da energia de um sistema, �Esistema
A determinação da variação da energia de um sistema durante um processo com-
preende a avaliação da energia do sistema no início e no final do processo, e o 
cálculo da diferença entre elas. Ou seja,
Variação da energia � Energia no estado final – Energia no estado inicial
ou
 (2–32)
Observe que a energia é uma propriedade, e que o valor de uma propriedade não 
varia, a menos que o estado do sistema mude. Assim, a variação da energia de 
um sistema é zero se o estado do sistema não mudar durante o processo. Da mes-
ma maneira, a energia pode existir em inúmeras formas como interna (sensível, 
latente, química e nuclear), cinética, potencial, elétrica e magnética, e sua soma 
constitui a energia total E de um sistema. Na ausência de efeitos de natureza 
elétrica, magnética e de tensão superficial (por exemplo, nos sistemas compres-
síveis simples), a variação da energia total de um sistema durante um processo 
é a soma das variações de suas energias interna, cinética e potencial, e pode ser 
expressa como
 �E � �U 	 �EC 	 �EP (2–33)
onde
Quando os estados inicial e final são conhecidos, os valores das energias internas 
específicas u1 e u2 podem ser determinados diretamente por meio de tabelas de 
propriedades ou de relações entre propriedades termodinâmicas.
A maioria dos sistemas encontrados na prática são estacionários, ou seja, eles 
não sofrem qualquer variação de velocidade ou de altura durante um processo 
Wf, ent � 10 kJ
(Adiabático)
�E � 10 kJ
FIGURA 2–44 O trabalho (de fronteira) 
realizado em um sistema adiabático é igual 
ao aumento da energia do sistema.
Weixo, ent � 6 kJ
�E � (15 � 3) 	 6
 � 18 kJ
Qent � 15 kJ
Qsai � 3 kJ
FIGURA 2–45 A variação de energia de 
um sistema durante um processo é igual ao 
trabalho líquido e o calor transferido entre 
o sistema e sua vizinhança.
(Adiabático)
�E � 8 kJ
Weixo, ent � 8 kJ
FIGURA 2–43 O trabalho (de eixo) 
realizado em um sistema adiabático é igual 
ao aumento da energia do sistema.
 Capítulo 2 Energia, Transferência de Energia e Análise Geral da Energia 73
(Fig. 2–46). Portanto, nos sistemas estacionários, as variações das energias ciné-
tica e potencial são nulas (ou seja, �EC � �EP � 0) e a equação para a variação 
da energia total Eq. 2–33 se reduz a �E � �U para tais sistemas.
Mecanismos de transferência de energia, Eent e Esai
A energia pode ser transferida para ou de um sistema sob três formas: calor, traba-
lho e fluxo de massa. As interações de energia são identificadas quando atravessam 
a fronteira de um sistema e representam a energia ganha ou perdida por um sistema 
durante um processo. As duas únicas formas de interações de energia associadas a 
uma massa fixa ou aos sistemas fechados são a transferência de calor e a realiza-
ção de trabalho.
 1. Transferência de calor, Q A transferência de calor para um sistema (ganho 
de calor) aumenta a energia das moléculas e, consequentemente, a energia 
interna do sistema, e a transferência de calor de um sistema (perda de calor) 
a diminui, pois a energia transferida para fora sob a forma de calor vem da 
energia das moléculas do sistema.
 2. Realização de trabalho, W Uma interação de energia que não é causada 
por uma diferença de temperatura entre um sistema e sua vizinhança é tra-
balho. Um pistão subindo, um eixo girando e um fio elétrico atravessando a 
fronteira do sistema estão associados a interações de trabalho. A realização 
de trabalho sobre um sistema aumenta a energia do sistema, e a realização de 
trabalho por um sistema diminui a energia do sistema, uma vez que a energia 
transferida para fora sob a forma de trabalho vem da energia contida no sis-
tema. Os motores dos automóveis e as turbinas hidráulicas, a vapor ou a gás 
produzem trabalho enquanto os compressores, as bombas e os misturadores 
consomem trabalho.
 3. Fluxo de massa, m O fluxo de massa para dentro e para fora do sistema se 
constitui em um mecanismo adicional de transferência de energia. A energia 
do sistema aumenta quando há entrada de massa, porque massa carrega ener-
gia (na verdade, massa é energia). Da mesma forma, quando alguma massa sai 
do sistema, a energia nele contida diminui, porque a massa que sai leva com 
ela alguma energia. Por exemplo, quando uma certa quantidade de água quen-
te é retirada de um aquecedor de água e é substituída pela mesma quantidade 
de água fria, a quantidade de energia do tanque de água quente (o volume de 
controle) diminui como resultado dessa interação de massa (Fig. 2–47).
Observando que a energia pode ser transferida sob a forma de calor, trabalho e 
fluxo de massa, e que a transferência líquida de uma quantidade é igual à diferença 
entre as quantidades transferidas na entrada e na saída, o balanço da energia pode 
ser escrito mais explicitamente como
 Eent � Esai � (Qent � Qsai) 	 (Went � Wsai) 	 (Emassa, ent � Emassa, sai) � �Esistema (2–34)
onde os subíndices “ent” e “sai” indicam as quantidades que entram e saemdo 
sistema, respectivamente. Todos os seis termos do lado direito da equação repre-
sentam “quantidades” e, portanto, quantidades positivas. A direção de qualquer 
transferência de energia é descrita pelos subscritos “ent” e “sai”.
O calor transferido Q é zero para os sistemas adiabáticos, o trabalho realizado 
W é zero para os sistemas que não envolvem interações de trabalho, e a energia 
transportada com a massa Emassa é zero nos sistemas em que não há escoamento 
através de suas fronteiras (ou seja, os sistemas fechados).
Entrada
de
massa
Saída
de
massa
Volume
de controle
Q
W
FIGURA 2–47 A quantidade de energia 
de um volume de controle pode ser 
modificada por um fluxo de massa, e 
também por meio de interações de calor e 
de trabalho.
Sistemas estacionários
z1 � z2 → �EP � 0
V1 � V2 → �EC � 0
�E � �U
FIGURA 2–46 Para sistemas 
estacionários, �EC � �EP � 0; 
então �E � �U.
74 Termodinâmica
O balanço de energia para qualquer sistema passando por qualquer tipo de 
processo pode ser expresso de uma forma mais compacta como
 
Energia líquida transferida 
por calor, trabalho e massa
Variação das energias interna, 
cinética, potencial, etc. 
(2–35)
ou na forma de taxa, como
 
Taxa de energia líquida transferida 
por calor, trabalho e massa
Taxa de variação das energias 
interna, cinética, potencial, etc. 
(2–36)
Para taxas constantes, as quantidades totais durante um intervalo de tempo �t estão 
relacionadas às quantidades por unidade de tempo como
 (2–37)
O balanço de energia pode ser expresso por unidade de massa como
 (2–38)
que é obtido dividindo todas as quantidades da Eq. 2–35 pela massa m do sistema.
O balanço de energia também pode ser expresso na forma diferencial como
 (2–39)
Para um sistema fechado executando um ciclo, os estados inicial e final são idênti-
cos e, portanto, �Esistema � E2 � E1 � 0. Assim, o balanço de energia em um ciclo 
pode ser simplificado como Eent � Esai � 0 ou Eent � Esai. Observando que um 
sistema fechado não envolve nenhum fluxo de massa através de suas fronteiras, o 
balanço de energia de um ciclo pode ser expresso em termos de interações de calor 
e trabalho como
 (2–40)
Ou seja, o trabalho líquído que sai durante um ciclo é igual ao calor líquido que 
entra (Fig. 2–48).
P
V
Qliq � Wliq
FIGURA 2–48 Para um ciclo, �E � 0, 
então Q � W.
EXEMPLO 2–10 Resfriando um fluido quente em um tanque
Um tanque rígido contém um fluido quente que é resfriado enquanto é agitado por 
uma hélice. Inicialmente, a energia interna do fluido é de 800 kJ. Durante o processo 
de resfriamento, o fluido perde 500 kJ de calor, e a hélice realiza 100 kJ de trabalho 
no fluido. Determine a energia interna final do fluido. Despreze a energia armaze-
nada na hélice.
SOLUÇÃO Um fluido em um tanque rígido perde calor enquanto é agitado. A 
energia interna final do fluido deve ser determinada.
Hipóteses 1 O tanque é estacionário e, portanto, as variações da energia cinética e 
potencial são zero, �EC � �EP � 0. Portanto, �E � �U, e a energia interna é a úni-
ca forma de energia do sistema que pode variar durante esse processo. 2 A energia 
armazenada na hélice é desprezível.
Análise Seja o conteúdo do tanque o sistema (Fig. 2–49). Esse é um sistema fecha-
do, uma vez que nenhuma massa atravessa a fronteira durante o processo. Observa-
mos que o volume de um tanque rígido é constante e, portanto, não existe trabalho 
U1 � 800 kJ
U2 � ?
Weixo, ent � 100 kJ
fluido
Qsai � 500 kJ 
FIGURA 2–49 Esquema para o 
Exemplo 2–10.
 
 
Dica do professor
O vídeo abaixo explica os conceitos e a importância da primeira lei da termodinâmica, 
identificando os balanços de energia e os mecanismos de transferência de energia para um 
sistema.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.
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Exercícios
1) Como podemos expressar o princípio da conservação de energia?
A) Pode ser expresso pela variação líquida (aumento ou diminuição) da energia total do sistema 
durante um processo; é igual à multiplicação entre a energia total que entra e a energia total 
que sai do sistema durante esse processo.
B) Pode ser expresso pela variação líquida da energia do sistema durante um processo sendo 
igual à diferença entre a energia que entra e a energia que sai desse sistema durante esse 
processo
C) Pode ser expresso pela variação líquida (aumento ou diminuição) da energia total do sistema 
durante um processo; é igual à soma da energia total que entra com a energia total que sai do 
sistema durante esse processo.
D) Pode ser expresso pela variação líquida (aumento ou diminuição) da energia total do sistema 
durante um processo; é igual à divisão da energia total que entra pela energia total que sai do 
sistema durante esse processo.
E) Pode ser expresso pela variação líquida (aumento ou diminuição) da energia total do sistema 
durante um processo; é igual à diferença entre a energia total que entra e a energia total que 
sai do sistema durante esse processo e a multiplicação pela energia que entra.
2) Sobre os mecanismos de transferência de energia é correto afirmar:
A) A transferência de calor para um sistema (ganho de calor) aumenta a energia das moléculas e, 
consequentemente, a energia interna do sistema; enquanto a transferência de calor de um 
sistema (perda de calor) diminui a energia interna
B) Uma interação de energia que é causada por uma diferença de temperatura entre um sistema 
e sua vizinhança é trabalho.
C) A realização de trabalho sobre um sistema diminui a energia do sistema.
D) A realização de trabalho por um sistema aumenta a energia do sistema, uma vez que a energia 
transferida para fora sob a forma de trabalho vem da energia contida no sistema.
E) A energia do sistema diminui quando há entrada de massa porque massa carrega energia.
3) Um fluido quente é colocado dentro de um recipiente rígido. Inicialmente a energia interna 
desse fluido é de 600 kJ. Passa pelo processo de resfriamento, perdendo 300 kJ de calor e 
ao mesmo tempo é agitado por hélice que realiza 50 kJ de trabalho sobre o fluido. 
Determine a energia interna final do fluido: 
A) 250 kJ.
B) 150 kJ.
C) 350 kJ.
D) 450 kJ.
E) 550 kJ.
4) Considere um ventilador, dentro de uma sala, que consome 30 W de potência elétrica 
quando em operação. A taxa que o ventilador descarrega no ar de uma sala ventilada é de 2 
kg/s. Determine a velocidade máxima de saída do ar:
A) 4,8 m/s.
B) 4 m/s.
C) 6,48 m/s.
D) 5 m/s.
E) 5,48 m/s.
5) Considere uma sala de aula onde são necessárias 10 lâmpadas fluorescentes, cada uma 
consumindo 70 W de eletricidade. As luzes ficam acesas durante 8 horas por dia e 240 dias 
por ano, ao custo unitário de R$ 1,00 kWh. Determine o custo anual da energia necessária 
para iluminar essa sala de aula.
A) R$ 1344,00.
B) R$1000,00.
C) R$1300,00.
D) R$1200,00.
E) R$ 1100,00.
Na prática
A primeira lei da termodinâmica, também conhecida como princípio de conservação da energia, 
oferece uma base sólida para o estudo das relações entre as diversas formas de energia e 
interações de energia. Com base em observações experimentais, a primeira lei da termodinâmica 
enuncia que a energia não pode ser criada nem destruída durante um processo; ela pode apenas 
mudar de forma.
A energia pode ser transferida para ou de um sistema sob três formas: calor, trabalho e fluxo de 
massa.
Abaixo temos alguns exemplos: