1ª lei da termodinâmica Notas de revisão para ENEM Física

Primeira lei da termodinâmica

O que é a primeira lei da termodinâmica?

A primeira lei da termodinâmica é um princípio fundamental que expressa a conservação de energia. Ela estabelece uma relação entre a energia interna de um sistema, o calor trocado e o trabalho realizado.

infoNote

A primeira lei da termodinâmica é uma das leis mais fundamentais da física, aplicando-se a todos os processos térmicos e sendo essencial para compreender como a energia se comporta em sistemas fechados.

Energia interna

Conceito básico

A energia interna de um gás representa a energia cinética total das suas moléculas. Essa energia está diretamente relacionada com a temperatura do gás - quanto maior a temperatura, maior será a energia interna.

Variação da energia interna

Para diferentes tipos de gases, temos fórmulas específicas:

Gás monoatômico: $\Delta U = \frac{3}{2}R \cdot \Delta T$

Gás diatômico:
$\Delta U = \frac{5}{2}R \cdot \Delta T$

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Exemplo Trabalhado: Calculando a Variação de Energia Interna

Para um gás monoatômico que sofre um aquecimento de 20°C para 80°C:

Passo 1: Identificar a variação de temperatura $\Delta T = 80 - 20 = 60°C = 60K$

Passo 2: Aplicar a fórmula para gás monoatômico $\Delta U = \frac{3}{2}R \cdot \Delta T = \frac{3}{2}R \cdot 60 = 90R$

Portanto, a energia interna aumenta em $90R$ joules.

Interpretação das variações

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Regras Fundamentais da Variação de Energia Interna:

$\Delta T > 0 \rightarrow \Delta U > 0$ : aumento de temperatura resulta em aumento da energia interna
$\Delta T = 0 \rightarrow \Delta U = 0$ : sem variação de temperatura, não há mudança na energia interna
$\Delta T < 0 \rightarrow \Delta U < 0$ : diminuição da temperatura causa redução da energia interna

Trabalho de um gás

Como calcular o trabalho

O trabalho realizado por um gás pode ser calculado através da relação entre pressão e variação de volume:

Fórmula principal: $\tau = p \cdot \Delta V$

Onde:

$\tau$ = trabalho realizado
$p$ = pressão do gás
$\Delta V$ = variação do volume

Sinais do trabalho e seu significado

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Interpretação dos Sinais do Trabalho:

Expansão (gás se expande):

$V_f > V_i \rightarrow \Delta V > 0 \rightarrow \tau > 0$
O trabalho é positivo e realizado pelo gás

Compressão (gás é comprimido):

$V_f < V_i \rightarrow \Delta V < 0 \rightarrow \tau < 0$
O trabalho é negativo e realizado sobre o gás

Transformação isométrica (volume constante):

$V_f = V_i \rightarrow \Delta V = 0 \rightarrow \tau = 0$
Não há realização de trabalho

Representação gráfica

infoNote

O trabalho também pode ser calculado através da área sob a curva em um gráfico de pressão versus volume (diagrama P×V). Esta representação gráfica é especialmente útil para processos complexos onde a pressão varia.

A equação da primeira lei

Fórmula fundamental

$\boxed{\Delta U = Q - \tau}$

Onde:

$\Delta U$ = variação da energia interna
$Q$ = calor trocado com o meio externo
$\tau$ = trabalho realizado pelo gás

Interpretação dos sinais

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Convenção de Sinais na Primeira Lei:

Para o calor (Q):

$Q > 0$ : calor recebido pelo gás
$Q < 0$ : calor cedido pelo gás

Para o trabalho (τ):

$\tau > 0$ : trabalho realizado pelo gás
$\tau < 0$ : trabalho realizado sobre o gás

Aplicações práticas

A primeira lei da termodinâmica explica como a energia se conserva em processos térmicos. Quando um gás recebe calor, essa energia pode ser usada de duas formas:

Aumentar sua energia interna (aquecer o gás)
Realizar trabalho (expandir contra uma pressão externa)

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Esta distribuição de energia explica por que nem todo o calor fornecido a um gás resulta em aumento de temperatura - parte dessa energia pode ser convertida em trabalho mecânico, como acontece nos motores térmicos.

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Pontos-Chave para Lembrar:

A energia interna de um gás depende apenas da sua temperatura
O trabalho de um gás está relacionado com a variação do seu volume
A primeira lei expressa a conservação de energia: $\Delta U = Q - \tau$
Expansão significa trabalho positivo realizado pelo gás
Compressão significa trabalho negativo realizado sobre o gás
A energia fornecida como calor pode ser dividida entre aumento da energia interna e realização de trabalho

1ª lei da termodinâmica (ENEM Física): Notas de revisão

Primeira lei da termodinâmica

O que é a primeira lei da termodinâmica?

Energia interna

Conceito básico

Variação da energia interna

Interpretação das variações

Trabalho de um gás

Como calcular o trabalho

Sinais do trabalho e seu significado

Representação gráfica

A equação da primeira lei

Fórmula fundamental

Interpretação dos sinais

Aplicações práticas

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