Primeira Lei da Termodinâmica

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Também chamada de lei da conservação da energia, é utilizada para relacionar as mudanças de estado detectado num sistema com as quantidades de energia, na forma de calor e trabalho, que são transferidas no processo.
Capítulo 5
 Primeira Lei da Termodinâmica
Durante qualquer ciclo percorrido por um sistema, a integral cíclica do calor é proporcional a integral cíclica do trabalho
5.1 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA UM SISTEMA QUE PERCORRE UM CICLO
No Sistema Internacional de Unidades (SI), calor e trabalho é dado em joule (J). Dessa maneira podemos escrever :
que é a expressão básica da primeira lei da termodinâmica para ciclos.
5.2 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA UMA MUDANÇA DE ESTADO NUM SISTEMA
Muitas vezes estamos mais interessados num processo que num ciclo e por isto iremos considerar a primeira lei da termodinâmica para um sistema que passa por uma mudança de estado.
Introduziremos a ENERGIA (E) como uma nova propriedade termodinâmica
5.2 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA UMA MUDANÇA DE ESTADO NUM SISTEMA
Definição da 1ª Lei da Termodinâmica
Mudança de estado 1-2 (A-B)
Mudança de estado 1-2 (C-B)
Subtraindo as equações acima temos
Reordenando Temos:
5.2 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA UMA MUDANÇA DE ESTADO NUM SISTEMA
A e C representam processos arbitrários entre os estados 1 e 2. Assim, a quantidade (δQ - δW) é a mesma para todos os processos entre o estado 1 e o estado 2. 
(δQ - δW) depende somente dos estados inicial e final e não depende do caminho percorrido entre os dois estados.
5.2 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA UMA MUDANÇA DE ESTADO NUM SISTEMA
5.2 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA UMA MUDANÇA DE ESTADO NUM SISTEMA
ENERGIA (E)
ΔE
1Q2 é o calor transferido
E1 e E2 são os valores da energia 
1W2 é o trabalho realizado
A ENERGIA (E) representa toda energia de um sistema em um dado estado, e pode esta presente em diversas formas:
Energia Cinética;
Energia Potencial;
Energia Associada com o Movimento das Moléculas;
Energia Associada com a Estrutura do Átomo;
Energia Associada a Ligações Químicas;
Etc.
Consideraremos no estudo da termodinâmica a energia cinética e potencial.
As outras formas de energia do sistema serão representadas por uma única propriedade que chamaremos de Energia Interna.
5.2 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA UMA MUDANÇA DE ESTADO NUM SISTEMA
ENERGIA = energia interna + energia potencial + energia cinética
Ou
E = U + EC + EP
Como cada um dos termos são função de ponto, podemos escrever:
dE = dU + d(EC) + d(EP)
Assim a Primeira Lei da Termodinâmica fica:
dE = dU + d(EC) + d(EP) 
5.2 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA UMA MUDANÇA DE ESTADO NUM SISTEMA
5.2 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA UMA MUDANÇA DE ESTADO NUM SISTEMA
Vamos deduzir uma expressão para as energias cinética e potencial de um sistema.
Energia Cinética
Considerações: 1- sistema inicialmente em repouso (referencial fixo), 2- Não há transferência de calor e nem variação da energia interna, 3- o sistema está submetido apenas a uma força F horizontal ocasionando um deslocamento dx na mesma direção. 
5.2 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA UMA MUDANÇA DE ESTADO NUM SISTEMA
5.2 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA UMA MUDANÇA DE ESTADO NUM SISTEMA
 Energia Potencial de um sistema.
Considerações: 1- sistema inicialmente em repouso e a uma certa cota em relação a um plano de referência, 2- Não há transferência de calor e nem variação da energia interna, 3- o sistema está submetido apenas a uma força vertical F ocasionando apenas a elevação do sistema, a velocidade constante, numa quantidade dZ na mesma direção da força. Com aceleração da gravidade g.
5.2 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PARA UMA MUDANÇA DE ESTADO NUM SISTEMA
Substituindo as expressões da energia cinética e potencial em:
Após a integração do estado 1 ao 2, temos:
5.3 ENERGIA INTERNA - UMA PROPRIEDADE TERMODINÂMICA
A energia interna é uma propriedade extensiva, visto que ela depende da massa do sistema. As energias cinética e potencial, pelo mesmo motivo, também são propriedades extensivas.
Assim, numa tabela de propriedades termodinâmicas, como as tabelas de vapor de água, os valores de energia interna podem ser tabelados juntamente com as outras propriedades termodinâmicas.
A energia interna de uma mistura líquido-vapor, com um dado título, é calculada do mesmo modo que o utilizado para o volume específico.
A técnica de solução de problemas termodinâmicos é baseada num conjunto de questionamentos que devem ser respondidos:
1. Qual é o sistema ou o volume de controle? Pode ser útil, ou necessário, definir mais de um sistema ou volume de controle? Neste momento, é interessante fazer um esboço do sistema ou do volume de controle e indicar as interações do sistema, ou volume de controle, com o meio.
2. O que conhecemos a respeito do estado inicial (quais as propriedades neste estado)?
3. O que conhecemos do estado final?
O que conhecemos sobre o processo em questão? Alguma grandeza é constante ou nula? Existe alguma relação funcional conhecida entre duas propriedades?
5. É útil fazer um diagrama relativo as informações levantadas nos itens 2 a 4 (por exemplo: um diagrama T-v ou p-v)?
6. Qual é o modelo utilizado na previsão do comportamento da substância (por exemplo: tabelas de vapor, gás perfeito etc.)?
7. Qual é a nossa análise do problema (examinar fronteiras para os vários modos de trabalho, conservação da massa, primeira lei da termodinâmica, etc.)?
8. Qual é a técnica que deve ser utilizada na solução (em outras palavras, a partir daquilo que foi efetuado nos itens 1 a 7, qual deve ser o procedimento para obter o desejado)?
5.4 ANÁLISE DO PROBLEMA E TÉCNICA DE SOLUÇÃO