A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA-Parte 1

Prévia do material em texto

A primeira lei da termodinâmica
 A primeira lei da termodinâmica estabelece o princípio da conservação de energia. A energia total de um sistema denomina-se energia interna (U). A energia interna é propriedade extensiva e uma função de estado, então
 (1)
A alteração de qualquer variável de estado produz modificação na energia interna. Energia interna, calor e trabalho, medem-se todos na mesma unidade SI, o joule (J). 
A conservação de energia
Calor e trabalho são formas equivalentes de se alterar a energia interna do sistema.
Se um sistema estiver isolado de sua vizinhança não haverá alteração de sua energia interna. 
Se w for o trabalho feito sobre o sistema, se q for a energia transferida para o sistema na forma de calor e se U for a variação de energia interna do sistema, vem
 (2)
Esta equação, representa a primeira lei da Termodinâmica e expressa o princípio de conservação da energia. 
A equação (2) é o enunciado matemático da primeira lei, pois resume a equivalência entre calor e trabalho e mostra que a energia interna é constante num sistema isolado (para o qual q=0 e w=0). Esta equação mostra, também, que a variação de energia interna de um sistema fechado é igual a energia que passa, como calor ou trabalho, através de suas fronteiras.
É importante salientar que embora U seja uma variável de estado, w e q dependem do processo que leva o sistema do estado inicial ao estado final.
Convenção de sinais: (Adotada no livro Atkins pag.40)
w > 0 O sistema ganha energia pelo trabalho.
q > 0 O sistema ganha energia pelo calor.
w < 0 O sistema perde energia pelo trabalho.
q < 0 O sistema perde energia pelo calor.
A convenção de sinais adotada neste curso está baseada na idéia de que tudo que aumenta a energia interna do sistema é positivo.
Exemplos: (Retirados do livro Atkins pag.40)
1)Um motor elétrico produz 15 kJ de energia, em cada segundo, na forma de trabalho mecânico, e perde 2 KJ de calor para o ambiente, também por segundo. A variação de energia interna do motor é então
por segundo.
2)Imaginemos que quando enrolamos uma mola de relógio se faça um trablho de 100J sobre ela, e que 15 J de calor sejam cedidos ao ambiente. A variação de energia interna da mola é
Calor e Trabalho 
Podemos distinguir calor e trabalho em termos moleculares. Calor é a energia que se transfere por efeito do movimento caótico das moléculas (movimento térmico). Se o calor se transfere de uma vizinhança quente para um sistema frio podemos dizer que houve um aumento de energia no sistema pois, esta transferência provocará um aumento no movimento térmico das moléculas do sistema. Se ocorrer o inverso ou seja, um sistema quente transferir calor para uma vizinhança fria podemos dizer que houve um aumento na energia da vizinhança pois esta transferência de energia acarretará um aumento no movimento térmico das moléculas da vizinhança. A convenção de sinais adotada aqui está de acordo com este raciocínio e podemos dizer então que tudo que aumenta a energia do sistema é positivo. Sendo assim quando o sistema recebe energia na forma de calor está aumentando sua energia interna (q>0), se o sistema perde calor para sua vizinhança está diminuindo sua energia interna (q<0).
O trabalho, por usa vez, resulta do movimento ordenado dos átomos. Usando o mesmo raciocínio quando um sistema realiza trabalho sobre a vizinhança provoca um movimento organizado na vizinhança ou seja transfere energia de forma organizada para sua vizinhança sua energia interna diminui,w<0, por exemplo a expansão de um gás. Porém, se ocorrer o contrário, ou seja a vizinhança transferir energia de forma organizada para o sistema a energia interna do sistema aumenta e a vizinhança realiza trabalho sobre o sistema, w>0, por exemplo quando uma mola é comprimida.
Se o sistema sofrer modificações infinitesimais, o trabalho feito sobre o sistema é, então, dw e a energia recebida como calor é dq; em lugar da equação (2) teremos 
 (3)
Para usar a equação (3) é preciso relacionar as variações de dq e dw a eventos que ocorram nas vizinhanças do sistema.
Trabalho de expansão
Trabalho de expansão é trabalho provocado pela variação de volume do sistema. 
Por exemplo, o trabalho feito por um gás quando se expande e desloca a atmosfera.
Muitas reações químicas se passam com a produção ou consumo de gases.
Exemplo: reações de explosão, a decomposição térmica do carbonato de cálcio para produção de cal, a combustão da gasolina.
Assista os vídeos:
http://www.youtube.com/watch?v=t7cVzgNxz-Y
http://www.youtube.com/watch?v=8cNwYzP0QjA&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=Lz62QU0UceQ&feature=related
O trabalho realizado quando um sistema se expande contra uma pressão externa é dado por: 
(4)
Para calcularmos o trabalho realizado quando o volume do sistema passa de um volume inicial (Vi) para um volume final (Vf) integra-se a equação (4):
(5)
Uma expansão pode ser de vários tipos: expansão livre, expansão contra pressão constante, expansão reversível, expansão isotérmica reversível.
Exemplo: Cálculo do trabalho no desprendimento de um gás.(Livro: Atkins pag.44)
Calcular o trabalho efetuado quando 50 g de ferro reagem com o ácido clorídrico (a) num vaso de volume fixo e (b) num béquer aberto, a 25 oC.
Se v = cte ......então......w=0
Podemos desprezar o volume inicial, pois o volume final após o desprendimento do gás é muito maior. VVf . 
Se considerarmos que o gás tem comportamento ideal: Vf = nRT/Pex 
e w = -Pex. nRT/Pex então: w = -nRT n = massa/mol = 50/55,85=0,895
R=8,314 Jmol-1.K-1 T=288,15 K 
Assim:
w = -2,2 kJ = Trabalho efetuado ao deslocar a atmosfera.