A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia não pode ser criada ou destruída, mas pode ser transferida

Um gás quente, quando confinado em uma câmara, exerce pressão sobre um pistão, fazendo com que ele se mova para baixo. O movimento pode ser aproveitado para fazer um trabalho igual à força total aplicada ao topo do pistão vezes a distância que o pistão se move. Crédito da imagem: GoodIll | Shutterstock

A primeira lei da termodinâmica afirma que o calor é uma forma de energia e, portanto, os processos termodinâmicos estão sujeitos ao princípio da conservação da energia. Isso significa que a energia térmica não pode ser criada ou destruída, segundo a Britannica. Pode, no entanto, ser transferida de um local para outro e convertido de e para outras formas de energia. 

A termodinâmica é o ramo da física que trata das relações entre o calor e outras formas de energia. Em particular, descreve como a energia térmica é convertida de e para outras formas de energia e como isso 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 que 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 da Missouri State University. "Portanto, é uma reafirmação da conservação de energia".

“A mudança na energia interna de um sistema é a soma de todas as entradas e saídas de energia de e para o sistema, da mesma forma que todos os depósitos e saques que você faz determinam as mudanças em seu saldo bancário”, disse Mitra.

Isso é expresso matematicamente como: ΔU = Q - W, onde ΔU é a variação da energia interna, Q é o calor adicionado ao sistema e W é o trabalho realizado pelo sistema, de acordo com a Britannica.

HISTÓRIA DA PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA

Os cientistas no final do século 18 e início do século 19 aderiram à teoria calórica, proposta pela primeira vez por Antoine Lavoisier em 1783, e reforçada pelo trabalho de Sadi Carnot em 1824, de acordo com a American Physical Society. Essa teoria científica tratava o calor como um tipo de fluido que fluía naturalmente das regiões quentes para as frias, assim como a água flui dos lugares altos para os baixos. Quando esse fluido calórico fluía de uma região quente para uma região fria, podia ser convertido em energia cinética e fazer trabalho da mesma forma que a água em queda poderia acionar uma roda d'água. Não foi até que Rudolf Clausius publicou "The Mechanical Theory of Heat" em 1867 que a teoria calórica foi finalmente colocada em repouso, de acordo com a Universidade da Virgínia.

SISTEMAS TERMODINÂMICOS

A energia pode ser dividida em duas partes, disse David McKee, professor de física da Missouri Southern State University. Uma é nossa contribuição macroscópica em escala humana, como um pistão movendo-se e empurrando um sistema de gás. O resto é composto de coisas que acontecem em uma escala muito pequena, onde não podemos acompanhar as contribuições individuais. 

"Quando coloco duas amostras de metal uma contra a outra, e os átomos estão chacoalhando na fronteira, e dois átomos saltam um para o outro, e um deles sai mais rápido que o outro, não consiguimos acompanhar. Isso acontece em uma escala de tempo muito pequena e a uma distância muito pequena, e acontece muitas, muitas vezes por segundo", segundo McKee. "Então, nós apenas dividimos toda a transferência de energia em dois grupos: As coisas que vamos acompanhar e as coisas que não vamos acompanhar. O último deles é o que chamamos de calor".

Os sistemas termodinâmicos são geralmente considerados como abertos, fechados ou isolados. De acordo com a Universidade de Calgary, um sistema aberto troca livremente energia e matéria com sua vizinhança; um sistema fechado troca energia, mas não matéria, com sua vizinhança; e um sistema isolado não troca energia ou matéria com sua vizinhança. Por exemplo, uma panela de sopa fervente recebe energia do fogão, irradia calor da panela e emite matéria na forma de vapor, que também transporta energia térmica. Este seria um sistema aberto. Se colocarmos uma tampa apertada na panela, ela ainda irradiaria energia térmica, mas idealmente não emitiria mais matéria na forma de vapor. Este seria um sistema fechado. No entanto, se despejarmos a sopa em uma garrafa térmica perfeitamente isolada e selarmos a tampa, não haveria energia ou matéria entrando ou saindo do sistema. Este seria um sistema isolado. 

Na prática, porém, sistemas perfeitamente isolados não podem existir. Todos os sistemas transferem energia para seu ambiente, não importa quão bem isolados estejam. A sopa na garrafa térmica só ficará quente por algumas horas e atingirá a temperatura ambiente no dia seguinte. Em outro exemplo, estrelas anãs brancas, os remanescentes quentes de estrelas queimadas que não produzem mais energia, podem ser isoladas por anos-luz de vácuo quase perfeito no espaço interestelar, no entanto, eles acabarão por esfriar de várias dezenas de milhares de graus para quase zero absoluto devido à perda de energia através da radiação. Embora esse 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 a máquina térmica. As máquinas térmicas convertem energia térmica em energia mecânica e vice-versa. A maioria dos motores térmicos se enquadra na categoria de sistemas abertos. O princípio básico de um motor térmico explora as relações entre calor, volume e pressão de um fluido de trabalho (qualquer substância que flui), normalmente um gás, de acordo com a Georgia State University. Exemplos de fluidos de trabalho incluem vapor em uma máquina a vapor e hidrofluorcarbonos em sistemas de refrigeração.

Quando o gás é aquecido, ele se expande; no entanto, quando esse gás é impedido de se expandir, ele aumenta a pressão. Se a parede inferior da câmara de confinamento for o topo de um pistão móvel, essa pressão exerce uma força na superfície do pistão fazendo com que ele se mova para baixo. Este movimento pode então ser aproveitado para fazer um trabalho igual à força total aplicada ao topo do pistão vezes a distância que o pistão se move.

Existem inúmeras 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, normalmente água. A água é convertida em vapor e a pressão é então usada para acionar um pistão que converte 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, conduzindo-o para baixo, de acordo com a Universidade de Oklahoma.

GELADEIRAS, CONDICIONADORES DE AR E BOMBAS DE CALOR

Frigoríficos e bombas de calor são motores de calor que convertem energia mecânica em calor. A maioria deles se enquadra na categoria de sistemas fechados. Quando o fluido de trabalho, ou gás, é comprimido, sua temperatura aumenta. Este gás quente pode então transferir calor para o ambiente circundante. Então, quando o gás comprimido se expande, sua temperatura se torna mais fria do que antes de ser comprimido porque parte de sua energia térmica foi removida durante o ciclo quente. Este gás frio pode então absorver energia térmica de seu ambiente. Este é o princípio de funcionamento por trás de um ar condicionado, de acordo com a Universidade de Boston. Os condicionadores de ar na verdade não produzem frio; eles removem o calor.

Uma bomba mecânica transfere o fluido de trabalho para o exterior, onde é aquecido por compressão. Em seguida, o calor é transferido para o ambiente externo, geralmente por meio de um trocador de calor refrigerado a ar, que geralmente usa um ventilador elétrico para expelir o calor para o ambiente. Em seguida, o fluido de trabalho é trazido de volta para dentro de casa, onde é permitido expandir e resfriar para que possa absorver o calor do ar interno por meio de outro trocador de calor.

Ar condicionado geotérmico ou terrestre e sistemas de bomba de calor usam tubos longos em forma de U em poços profundos ou uma série de tubos horizontais, enterrados em uma grande área através da qual o fluido de trabalho circula e o calor é transferido para ou da terra, de acordo com o Departamento de Energia dos Estados Unidos. Outros sistemas usam rios ou água do oceano para aquecer ou resfriar o fluido de trabalho.

♦ Todos os artigos baseados em tópicos são determinados por verificadores de fatos como corretos e relevantes no momento da publicação. Texto e imagens podem ser alterados, removidos ou adicionados como uma decisão editorial para manter as informações atualizadas.

RECURSOS ADICIONAIS

Veja três outras explicações da primeira lei da termodinâmica:

• Academia Conceitual no YouTube
• O professor de ciências da terra da Universidade George Mason, Robert M. Hazen, no The Great Courses Daily
• Este capítulo de Física do OpenStax College da Universidade de Iowa

BIBLIOGRAFIA

• Britannica, "A primeira lei da termodinâmica", 1º de junho de 2021. https://www.britannica.com/science/thermodynamics/The-first-law-of-thermodynamics 
• Instituto de História da Ciência, "Antoine-Laurent Lavoisier", 11 de dezembro de 2017. https://sciencehistory.org/historical-profile/antoine-laurent-lavoisier 
• Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos, "Nicolas Léonard Sadi Carnot", 10 de abril de 2012, https://www.asme.org/topics-resources/content/nicolas-leonard-sadi-carnot 
• Rudolfph Clausius, "A Teoria Mecânica do Calor". John Van Voorst, 1867.
• American Physical Society, "This Month Physics History December 1840: Joule's abstract on Converting Mechanical Power into Heat," Dezembro de 2009. https://www.aps.org/publications/apsnews/200912/physicshistory.cfm 
• Universidade da Virgínia, "Teaching Heat: the Rise and Fall of the Caloric Theory", julho de 2003. http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/more_stuff/TeachingHeat.htm 
• University of Calgary Energy Education, "System and Surrounding", 27 de setembro de 2021. https://energyeducation.ca/encyclopedia/System_and_surrounding 
• Universidade da Geórgia Hiperfísica, "Ciclo do motor térmico", http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heaeng.html 
• Cursos EC da Universidade de Oklahoma, "Termodinâmica - Teoria". http://www.ecourses.ou.edu/cgi-bin/ebook.cgi?topic=th&chap_sec=08.1&page=theory 
• Universidade de Boston, "Motores térmicos e a segunda lei", 10 de dezembro de 1999. http://physics.bu.edu/~duffy/py105/Heatengines.html 
• Departamento de Energia dos EUA, "Bombas de Calor Geotérmicas". https://www.energy.gov/energysaver/geothermal-heat-pumps

Junte-se aos nossos Canais Espaciais para continuar falando sobre o espaço nas últimas missões, céu noturno e muito mais! Siga-nos no facebook e no twitter. Inscreva-se no boletim informativo. E se você tiver uma dica, correção ou comentário, informe-nos aqui ou pelo e-mail: gaiaciencia@gaiaciencia.com.br

Referência:

LUCAS, Jim; HAMER, Ashley. What is the first law of thermodynamics? Live Science, Nova York, 28, fev. 2022. References. Disponível em: <https://www.livescience.com/50881-first-law-thermodynamics.html>. Acesso em: 12, mai. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.