Primeira Lei da Termodinâmica (Lei da Conservação da Energia)
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- Maria Fernanda Santiago Camarinho
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1 Termodinâmica I (SEM033) Prof. Oscar M.H. Rodrigez Primeira Lei da Termodinâmica (Lei da Conservação da Energia) Primeira Lei da Termodinâmica para m sistema fechado Se nm sistema fechado trabalho e calor estão presentes, então o trabalho realizado não igala a mdança de energia do sistema, pois o processo não é adiabático. Lei de conservação de energia: A energia no estado inicial (E) mais o menos qalqer adição o sbtração de energia do sistema deverá igalar a energia no estado final (E). ( ) ( ) E + + Q + W = E Q W = E E = E Esta eqação é o postlado da ª lei da termodinâmica o da conservação de energia para m sistema termodinâmico fechado Obs.: Note qe adicionamos energia na forma de calor (+Q) e diminímos energia do sistema na forma de trabalho (+W).
2 E ciclo = 0 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Termodinâmica I (SEM033) Prof. Oscar M.H. Rodrigez Considere m sistema fechado qe realiza m ciclo. Os valores de Q e W nm ciclo não necessariamente são zero, mas a mdança de estado do sistema é nla qando este completa o ciclo. O seja: E ciclo = 0 Em otras palavras, a integral cíclica do calor é proporcional a integral cíclica do trabalho: δq = δw Transferência de calor resltante drante m ciclo drante Trabalho m resltante ciclo Obs.: -Termodinamicamente, m sistema nnca armazena calor o trabalho porqe estes fenômenos são transitórios qe terminam sa existência ma vez termina o processo. -Assim como para todas as leis da natreza, a evidência experimental evidencia a primeira lei da termodinâmica
3 Termodinâmica I (SEM033) Prof. Oscar M.H. Rodrigez Considere m sistema fechado qe realiza ma mdança de estado. Para processos arbitrários A e C: ( δq δw ) = A ( δq δw ) Assim, δq δw é igal para todos os processos entre os estados e, dependendo apenas do estado inicial e final e não dependendo do caminho percorrido entre os dois estados. Esta é, portanto, ma fnção ponto e a diferencial de ma propriedade do sistema. δq δw = de fnção de linha fnção de linha C (qadro negro) fnção de ponto (), sendo esta a variação da energia do sistema integrando: Q W = E E E representa toda a energia do sistema em m dado estado (energia potencial e cinética, energia associada a posição, movimento das moléclas o estrtra atômica, energia qímica, etc.).
4 Termodinâmica I (SEM033) Prof. Oscar M.H. Rodrigez Também podemos entender E como a somatória dos trabalhos adiabáticos realizados o recebidos pelo sistema: associadas ao sistema de coordenadas e parâmetros macroscópicos (massa, velocidade, elevação) Г E = U + EC + EP energia do sistema energia interna energia cinética Pela sbstitição da Eq. acima em () temos qe: energia potencial δq δw = du + d EC + d EP ( ) ( ) () - Vimos qe a energia cinética pode ser dada por: EC = mv - e a energia potencial pode ser dada por: EP = mg ( ) Z Z
5 Termodinâmica I (SEM033) Prof. Oscar M.H. Rodrigez Sbstitindo as expressões para energia cinética e potencial em (): ( mv ) d δq δw = du + + d ( mgz ) (3) Integrando (3): Q W = U U + ( ) V + mg( Z Z ) m V (4) Esta é a lei da conservação da energia: A variação líqida de energia do sistema é sempre igal a transferência líqida de energia através da fronteira do sistema, na forma de calor e trabalho. Nada pode ser dito através das Eqs. (3) e (4) sobre os valores absoltos dessas grandezas. Estados de referência precisam ser admitidos para a atribição de valores para as qantidades em estados especificados.
6 Termodinâmica I (SEM033) Prof. Oscar M.H. Rodrigez Energia Interna, U ma propriedade termodinâmica = m U é ma das propriedades independentes de ma sbstância pra; por exemplo, se especificarmos a pressão e a energia interna do vapor speraqecido a temperatra também estará determinada. também pode ser tablado em relação a ma referência arbitrária. Assim como para o volme específico: ( ) = = l + x x l lv + x v
7 Termodinâmica I (SEM033) Prof. Oscar M.H. Rodrigez EXEMPLO : Ága contida nm conjnto pistão-cilindro realiza dois processos em série de m estado inicial, onde a pressão é 0 bars e a temperatra é 400 o C. - Processo -: a ága é resfriada enqanto é comprimida a pressão constante até o estado de vapor satrado a 0 bars. - Processo -3: a ága é resfriada a volme constante até 50 o C. (a) Esboce ambos processos em diagramas p-v e T-v. (b) Determine o trabalho para o processo completo, em kj/kg. (c) Determine o calor para o processo completo, em kj/kg
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