A primeira lei da termodinâmica
As leis da termodinâmica são enganosamente simples de enunciar, mas têm consequências de longo alcance. A primeira lei afirma que se o calor for reconhecido como uma forma de energia , então a energia total de um sistema mais seus arredores são conservados; em outras palavras, a energia total do universo permanece constante.
A primeira lei é posta em ação considerando o fluxo de energia através da fronteira que separa um sistema de seus arredores. Considere o exemplo clássico de um gás encerrado em um cilindro com um pistão móvel. As paredes do cilindro atuam como o limite que separa o gás interno do mundo externo, e o pistão móvel fornece um mecanismo para o gás trabalhar expandindo-se contra a força que mantém o pistão (presumivelmente sem atrito) no lugar. Se o gás funcionar DENTRO à medida que se expande e / ou absorve calor Q de seus arredores através das paredes do cilindro, então isso corresponde a um fluxo líquido de energia DENTRO - Q através da fronteira para os arredores. A fim de conservar a energia total você , deve haver uma mudança de contrapesoΔ você = Q - DENTRO (1)na energia interna do gás. A primeira lei fornece um tipo de sistema estrito de contabilidade de energia em que a mudança na conta de energia (Δ você ) é igual à diferença entre os depósitos ( Q ) e retiradas ( DENTRO )
Há uma distinção importante entre a quantidade Δ você e as quantidades de energia relacionadas Q e DENTRO . Já que a energia interna você é caracterizado inteiramente pelas quantidades (ou parâmetros) que determinam exclusivamente o estado do sistema em equilíbrio , é dito ser uma função de estado tal que qualquer mudança na energia é determinada inteiramente pela inicial ( eu ) e final ( f ) estados do sistema: Δ você = você f - você eu . Contudo, Q e DENTRO não são funções de estado. Assim como no exemplo de um balão estourando, o gás dentro pode não fazer nenhum trabalho para atingir seu estado final expandido, ou pode fazer o trabalho máximo expandindo dentro de um cilindro com um pistão móvel para atingir o mesmo estado final. Tudo o que é necessário é que a mudança na energia (Δ você ) permanece o mesmo. De analogia , a mesma mudança em sua conta bancária poderia ser alcançada por muitas combinações diferentes de depósitos e retiradas. Desse modo, Q e DENTRO não são funções de estado, porque seus valores dependem do processo específico (ou caminho) que conecta os mesmos estados inicial e final. Assim como é mais significativo falar do saldo em uma conta bancária do que do conteúdo do depósito ou retirada, só é significativo falar da energia interna de um sistema e não do seu calor ou conteúdo de trabalho.
Do ponto de vista matemático formal, o incremental mudança d você na energia interna é um diferencial exato ( Vejo equação diferencial), enquanto as mudanças incrementais correspondentes d ′ Q e d ′ DENTRO no calor e no trabalho não são, porque o definitivo integrais dessas quantidades são dependentes do caminho. Esses conceitos podem ser usados com grande vantagem em uma formulação matemática precisa da termodinâmica ( Veja abaixo Propriedades e relações termodinâmicas )
Motores térmicos
O exemplo clássico de um motor térmico é um motor a vapor , embora todos os motores modernos sigam os mesmos princípios. Os motores a vapor operam de forma cíclica, com o pistão movendo-se para cima e para baixo uma vez a cada ciclo. O vapor quente de alta pressão é admitido no cilindro na primeira metade de cada ciclo e depois pode escapar novamente na segunda metade. O efeito geral é levar calor Q 1gerado pela queima de combustível para fazer vapor, converter parte dele para fazer trabalho e exaurir o calor restante Q doispara o meio Ambiente a uma temperatura mais baixa. A energia líquida de calor absorvida é então Q = Q 1- Q dois. Uma vez que o motor retorna ao seu estado inicial, sua energia interna você não muda (Δ você = 0). Assim, pela primeira lei da termodinâmica, o trabalho realizado para cada ciclo completo deve ser DENTRO = Q 1- Q dois. Em outras palavras, o trabalho realizado para cada ciclo completo é apenas a diferença entre o calor Q 1absorvido pelo motor em alta temperatura e o calor Q doisexausto em uma temperatura mais baixa. O poder da termodinâmica é que essa conclusão é completamente independente do mecanismo de funcionamento detalhado do motor. Ele depende apenas da conservação geral de energia, com o calor considerado uma forma de energia.
Para economizar dinheiro em combustível e evitar contaminar o meio ambiente com calor residual, os motores são projetados para maximizar a conversão do calor absorvido Q 1em trabalho útil e para minimizar o calor residual Q dois. A eficiência de Carnot (η) de um motor é definida como a razão DENTRO / Q 1- ou seja, a fração de Q 1que é convertido em trabalho. Desde a DENTRO = Q 1- Q dois, a eficiência também pode ser expresso na forma 
(dois)
Se não houvesse calor residual, então Q dois= 0 e η = 1, correspondendo a 100 por cento de eficiência. Embora a redução do atrito em um motor diminua o calor desperdiçado, ele nunca pode ser eliminado; portanto, há um limite de quão pequeno Q doispode ser e, portanto, em quão grande pode ser a eficiência. Essa limitação é uma lei fundamental da natureza - na verdade, a segunda lei da termodinâmica ( Veja abaixo )
Compartilhar:
