A Primeira Lei da Termodinâmica afirma que o calor é uma forma de energia, e os processos termodinâmicos estão, portanto, sujeitos ao princípio da conservação da energia. Isto significa que a energia térmica não pode ser criada ou destruída. Pode, no entanto, ser transferido de um local para outro e convertido para e de outras formas de energia.

Termodinâmica é o ramo da física que lida com as relações entre calor e outras formas de energia., Em particular, descreve como a energia térmica é convertida de e para outras formas de energia e como ela afeta a matéria. Os princípios fundamentais da termodinâmica são expressos em quatro leis.

“A Primeira Lei diz que a energia interna de um sistema tem de ser igual ao trabalho que está sendo feito no sistema, mais ou menos o calor que flui para dentro ou para fora do sistema e qualquer outro trabalho que é feito no sistema”, disse Saibal Mitra, professor de física no estado de Missouri State University. “Então, é uma reafirmação da conservação de energia.,”

Mitra continued, ” The change in internal energy of a system is the sum of all the energy inputs and outputs to and from the system similarly to how all the deposits and levantamentos you make determine the changes in your bank balance. Isto é expresso matematicamente como: ΔU = Q-W, onde ΔU é a mudança na energia interna, Q É o calor adicionado ao sistema, e W é o trabalho feito pelo sistema.,

História

os Cientistas no final do século 18 e início do século 19, aderiu a teoria calórica, proposto pela primeira vez por Antoine Lavoisier, em 1783, e reforçada pelo trabalho de Sadi Carnot, em 1824, de acordo com a American physical Society. A teoria calórica tratava o calor como um tipo de fluido que fluía naturalmente de regiões quentes a Frias, assim como a água flui de lugares altos a Baixos. Quando este fluido calórico fluía de uma região quente para uma região fria, poderia ser convertido em energia cinética e feito para fazer o trabalho tanto quanto a água em queda poderia conduzir uma roda de água., Foi só quando Rudolph Clausius publicou “The Mechanical Theory of Heat” em 1879 que a teoria calórica foi finalmente posta em repouso.

os sistemas termodinâmicos

a energia pode ser dividida em duas partes, de acordo com David McKee, um professor de física na Universidade do Estado Sul do Missouri. Uma é a nossa contribuição macroscópica em escala humana, como um pistão movendo-se e empurrando sobre um sistema de gás. Por outro lado, as coisas acontecem em uma escala muito pequena onde não podemos manter o controle das contribuições individuais., McKee explica: “Quando eu coloco duas amostras de metal um contra o outro, e os átomos estão chocalhando ao redor da fronteira, e dois átomos saltam um para o outro, e um dos sai mais rápido do que o outro, eu não posso manter o controle dele. Acontece em uma escala de tempo muito pequena e uma distância muito pequena, e acontece muitas, muitas vezes por segundo. Então, nós apenas dividimos todas as transferências de energia em dois grupos: as coisas que vamos manter o controle, e as coisas que não vamos manter o controle. Este último é o que chamamos de calor.,”

sistemas termodinâmicos são geralmente considerados como sendo abertos, fechados ou isolados. De acordo com a Universidade da Califórnia, Davis, um sistema aberto troca livremente energia e matéria com seus arredores; um sistema fechado troca energia mas não matéria com seus arredores; e um sistema isolado não troca energia ou matéria com seus arredores. Por exemplo, um pote de sopa fervente recebe energia do fogão, irradia calor da panela, e emite matéria na forma de vapor, que também transporta energia térmica. Isto seria um sistema aberto., Se colocarmos uma tampa apertada sobre o pote, ele ainda irradiaria energia de calor, mas não emitiria mais matéria na forma de vapor. Isto seria um sistema fechado. No entanto, se deitássemos a sopa numa garrafa térmica perfeitamente isolada e selássemos a tampa, não haveria energia ou matéria a entrar ou a sair do sistema. Isto seria um sistema isolado.

na prática, contudo, não podem existir sistemas perfeitamente isolados. Todos os sistemas transferem energia para o seu ambiente através da radiação, por muito bem isolados que estejam., A sopa no termo só ficará quente por algumas horas e atingirá a temperatura ambiente no dia seguinte. Em outro exemplo, as estrelas anãs brancas, os remanescentes quentes de estrelas queimadas que já não produzem energia, podem ser isoladas por anos-luz de vácuo quase perfeito no espaço interestelar, no entanto, eles eventualmente irão arrefecer de várias dezenas de milhares de graus a quase zero absoluto devido à perda de energia através da radiação. Embora este processo demore mais do que a idade atual do universo, não há como pará-lo.,

motores térmicos

a aplicação prática mais comum da Primeira Lei é o motor térmico. Os motores de calor convertem a energia térmica em energia mecânica e vice-versa. A maioria dos motores de calor pertencem à categoria de sistemas abertos. O princípio básico de um motor de calor explora as relações entre calor, volume e pressão de um fluido de trabalho. Este fluido é tipicamente um gás, mas em alguns casos pode passar por mudanças de fase de gás para líquido e de volta para um gás durante um ciclo. quando o gás é aquecido, ele se expande; no entanto, quando o gás é confinado, ele aumenta a pressão., Se a parede inferior da câmara de confinamento é a parte superior de um pistão móvel, esta pressão exerce uma força sobre a superfície do pistão fazendo com que ele se mova para baixo. Este movimento pode então ser aproveitado para fazer o trabalho igual à força total aplicada ao topo do pistão vezes a distância que o pistão se move.

existem numerosas variações no motor térmico básico. Por exemplo, os motores a vapor dependem da combustão externa para aquecer um tanque de caldeira contendo o fluido de trabalho, tipicamente água., A água é convertida em vapor, e a pressão é então usada para conduzir um pistão que converte a energia térmica em energia mecânica. Motores de automóveis, no entanto, usam combustão interna, onde o combustível líquido é vaporizado, misturado com ar e inflamado dentro de um cilindro acima de um pistão móvel que o conduz para baixo. os refrigeradores, aparelhos de ar condicionado e bombas de calor são motores a quente que convertem energia mecânica em calor. A maior parte destes incluem-se na categoria de sistemas fechados. Quando um gás é comprimido, sua temperatura aumenta., Este gás quente pode então transferir calor para o seu ambiente circundante. Então, quando o gás comprimido é permitido expandir, sua temperatura torna-se mais fria do que era antes de ser comprimido porque parte de sua energia térmica foi removida durante o ciclo quente. Este gás frio pode, então, absorver energia de calor de seu ambiente. Este é o director de trabalho por trás de um ar condicionado. Os aparelhos de ar condicionado não produzem realmente frio; eles removem o calor. O fluido de trabalho é transferido ao ar livre por uma bomba mecânica, onde é aquecido por compressão., Em seguida, transfere esse calor para o ambiente exterior, geralmente através de um trocador de calor frio ao ar. Em seguida, é trazido de volta dentro de casa, onde é permitido expandir e arrefecer para que possa absorver o calor do ar interior através de outro trocador de calor. uma bomba de calor é simplesmente um ar condicionado rodado ao contrário. O calor do fluido de trabalho comprimido é usado para aquecer o edifício. É então transferido para fora onde se expande e torna-se frio, permitindo-lhe assim absorver o calor do ar exterior, que mesmo no inverno é geralmente mais quente do que o fluido de trabalho frio., os sistemas de ar condicionado e bombas de calor geotérmicos ou de origem terrestre utilizam tubos longos em forma de U em poços profundos ou um conjunto de tubos horizontais enterrados numa grande área através da qual o fluido de trabalho circula e o calor é transferido de ou para a terra. Outros sistemas utilizam rios ou água do oceano para aquecer ou arrefecer o fluido de trabalho.