Objetivos
Ao final desta seção, você será capaz de:
- Definir a primeira lei da termodinâmica.descreve como a conservação da energia se relaciona com a primeira lei da termodinâmica.identificar instâncias da primeira lei da termodinâmica a trabalhar em situações diárias, incluindo metabolismo biológico.calcular as alterações na energia interna de um sistema, depois de contabilizar a transferência de calor e o trabalho realizado.,
a Figura 1. Esta Chaleira a ferver representa energia em movimento. A água na chaleira está girando para vapor de água porque o calor está sendo transferido do fogão para a chaleira. Como todo o sistema fica mais quente, o trabalho é feito-a partir da evaporação da água para o assobio da chaleira. (crédito: Gina Hamilton)
Se estamos interessados em como a transferência de calor é convertida em fazer o trabalho, então o princípio de conservação de energia é importante., A primeira lei da termodinâmica aplica o princípio da conservação da energia aos sistemas onde a transferência de calor e o trabalho são os métodos de transferência de energia para dentro e para fora do sistema. A primeira lei da termodinâmica afirma que a mudança na energia interna de um sistema é igual à transferência líquida de calor para o sistema menos o trabalho líquido feito pelo sistema. Na forma de equação, a primeira lei da termodinâmica é ΔU = Q − W.
aqui ΔU é a mudança na energia interna U do sistema., Q é o calor líquido transferido para o sistema—ou seja, Q é a soma de toda transferência de calor dentro e fora do sistema. W é o trabalho de rede feito pelo sistema—isto é, W é a soma de todo o trabalho feito no sistema ou pelo sistema. Nós usamos as seguintes convenções de Sinais: se Q é positivo, então há uma transferência líquida de calor para o sistema; se W é positivo, então há trabalho líquido feito pelo sistema. Então o positivo Q adiciona energia ao sistema e o positivo W retira energia do sistema. Thus ΔU = Q-W., Note também que se mais Transferência de calor para o sistema ocorrer do que o trabalho feito, a diferença é armazenada como energia interna. Os motores de calor são um bom exemplo disso – transferência de calor para eles ocorre para que eles possam fazer o trabalho. (Ver Figura 2.) Vamos agora examinar Q, W, e ΔU mais adiante.
Figura 2. A primeira lei da termodinâmica é o princípio de conservação de energia estabelecido para um sistema onde calor e trabalho são os métodos de transferência de energia para um sistema em equilíbrio térmico., Q representa a transferência líquida de calor – é a soma de todas as transferências de calor dentro e fora do sistema. Q é positivo para transferência líquida de calor para o sistema. W é o trabalho total feito sobre e pelo sistema. W é positivo quando mais trabalho é feito pelo sistema do que sobre ele. A mudança na energia interna do sistema, ΔU, está relacionada ao calor e ao trabalho pela primeira lei da termodinâmica, ΔU = Q-W.,a primeira lei da termodinâmica é na verdade a lei da conservação da energia declarada de uma forma mais útil na termodinâmica. A primeira lei dá a relação entre a transferência de calor, o trabalho feito e a mudança na energia interna de um sistema.a transferência de calor (Q) e o trabalho (W) são os dois meios diários de trazer energia para um sistema ou de retirar energia de um sistema. Os processos são bastante diferentes., A transferência de calor, um processo menos organizado, é impulsionada por diferenças de temperatura. O trabalho, um processo bastante organizado, envolve uma força macroscópica exercida através de uma distância. No entanto, o calor e o trabalho podem produzir resultados idênticos.Por exemplo, ambos podem causar um aumento de temperatura. Transferência de calor em um sistema, como quando o sol aquece o ar em um pneu de bicicleta, pode aumentar a sua temperatura, e assim pode trabalhar no sistema, como quando o ciclista bombeia ar para o pneu. Uma vez que o aumento de temperatura ocorreu, é impossível dizer se foi causado por transferência de calor ou por fazer o trabalho., Esta incerteza é um ponto importante. Transferência de calor e trabalho são ambos energia em trânsito-nem é armazenado como tal em um sistema. No entanto, ambos podem mudar a energia interna U de um sistema. A energia interna é uma forma de energia completamente diferente do calor ou do trabalho.
energia interna U
podemos pensar sobre a energia interna de um sistema de duas formas diferentes, mas consistentes. A primeira é a visão atômica e molecular, que examina o sistema na escala atômica e molecular., A energia interna U de um sistema é a soma das energias cinética e potencial de seus átomos e moléculas. Lembre-se que energia cinética mais potencial é chamada de energia mecânica. Assim, a energia interna é a soma da energia mecânica atômica e molecular. Porque é impossível manter o controle de todos os átomos e moléculas individuais, temos que lidar com médias e distribuições. Uma segunda maneira de ver a energia interna de um sistema é em termos de suas características macroscópicas, que são muito semelhantes aos valores médios atômicos e moleculares.,
Macroscopicamente, definimos a mudança na energia interna ΔU ser que, dada pela primeira lei da termodinâmica: ΔU = Q− W.
Muitos detalhados experimentos de ter verificado que ΔU = Q − W, onde ΔU é a variação total de energia cinética e potencial de todos os átomos e moléculas em um sistema. Também foi determinado experimentalmente que a energia interna U de um sistema depende apenas do Estado do sistema e não de como ele chegou a esse estado., Mais especificamente, U é encontrado para ser uma função de algumas quantidades macroscópicas (pressão, volume e temperatura, por exemplo), independente da história passada, como se houve transferência de calor ou trabalho feito. Esta independência significa que se conhecemos o estado de um sistema, podemos calcular as mudanças em sua energia interna U a partir de algumas variáveis macroscópicas.,
fazendo conexões: macroscópico e microscópico
em termodinâmica, muitas vezes usamos a imagem macroscópica ao fazer cálculos de como um sistema se comporta, enquanto a imagem atômica e molecular dá explicações subjacentes em termos de médias e distribuições. Veremos isso novamente em secções posteriores deste capítulo. Por exemplo, no tópico da entropia, os cálculos serão feitos usando a visão atômica e molecular.
para ter uma ideia melhor de como pensar sobre a energia interna de um sistema, vamos examinar um sistema que vai do estado 1 ao estado 2., O sistema tem energia interna U1 no estado 1, e tem energia interna U2 no estado 2, não importa como chegou a qualquer estado. Então a mudança na energia interna ΔU = U2-U1 é independente do que causou a mudança. Em outras palavras, ΔU é independente do caminho. Por caminho, queremos dizer o método de chegar do ponto de partida ao ponto final. Porque é que esta independência é importante? Note que ΔU = Q-W. tanto Q Quanto Wdepend no caminho, mas ΔU não. Esta independência do caminho significa que a energia interna U é mais fácil de considerar do que a transferência de calor ou trabalho feito.
exemplo 1., Calculando a mudança na energia interna: a mesma mudança em U é produzida por dois processos diferentes
- suponha que há transferência de calor de 40,00 J para um sistema, enquanto o sistema faz 10,00 J de trabalho. Mais tarde, há transferência de calor de 25.00 J fora do sistema, enquanto 4.00 J de trabalho é feito no sistema. Qual é a mudança líquida na energia interna do sistema?qual é a mudança na energia interna de um sistema quando um total de 150,00 J de transferência de calor ocorre fora (de) do sistema e 159,00 J de trabalho é feito no sistema? (Ver Figura 3).,
Figura 3. Dois processos diferentes produzem a mesma mudança em um sistema. (a) Um total de 15.00 J de transferência de calor ocorre no sistema, enquanto o trabalho toma um total de 6.00 J. A mudança na energia interna é ΔU=Q−W=9.00 J. (b) transferência de Calor remove 150.00 J do sistema durante o trabalho coloca 159.00 J para ele, produzindo um aumento de 9.00 J em energia interna., Se o sistema começar no mesmo estado nas alíneas a) e b), acabará no mesmo estado final em qualquer dos casos—o seu estado final está relacionado com a energia interna, e não como essa energia foi adquirida.
estratégia
na parte 1, devemos primeiro encontrar a transferência líquida de calor e o trabalho líquido feito a partir da informação dada. Então a primeira lei da termodinâmica (ΔU = Q-W) pode ser usada para encontrar a mudança na energia interna. Na parte b), a transferência líquida de calor e o trabalho feito são dados, de modo que a equação pode ser usada diretamente.,
Solução para a Parte 1
O líquido de transferência de calor é a transferência de calor para o sistema a menos que a transferência de calor para fora do sistema, ou
Q = 40.00 J − 25.00 J = 15.00 J.
da mesma forma, o trabalho total é o trabalho feito pelo sistema menos o trabalho realizado sobre o sistema, ou
W = 10.00 J − 4.00 J = 6.00 J.
Assim, a mudança na energia interna é dada pela primeira lei da termodinâmica:
ΔU = Q − W = 15.00 J − 6.00 J = 9.00 J.,
também podemos encontrar a mudança na energia interna para cada um dos dois passos. Primeiro, considere a 40.00 J de transferência de calor e 10,00 J de trabalho, ou ΔU1 = Q1 − P1 = 40.00 J − 10.00 J = 30.00 J.
Agora, considere 25.00 J de transferência de calor e 4.00 J de trabalho, ou
ΔU2 = Q2 − P2 = -25.00 J −(-4.00 J) = -21.00 J.
A mudança total é a soma dessas duas etapas, ou ΔU = ΔU1 + ΔU2 = 30.00 J + (-21.00 J) = 9.00 J.,
discussão na parte 1
não importa se você olhar para o processo global ou quebrá-lo em etapas, a mudança na energia interna é a mesma.
Solução para a Parte 2
Aqui o líquido de transferência de calor e de trabalho total são dadas directamente para ser Q=-150.00 J e W=-159.00 J, de modo que
ΔU = Q – W = -150.00 J –(-159.00 J) = 9.00 J.
Discussão sobre a Parte 2
muito diferente do processo na parte 2 produz o mesmo 9.00-J mudança na energia interna como na parte 1., Note – se que a alteração no sistema em ambas as partes está relacionada com ΔU e não com os Qs ou Ws individuais envolvidos. O sistema acaba no mesmo estado em ambas as partes. As partes 1 e 2 apresentam dois caminhos diferentes para o sistema seguir entre os mesmos pontos de partida e final, e a mudança de energia interna para cada um é a mesma—é independente do caminho.
metabolismo humano e a Primeira Lei da Termodinâmica
metabolismo humano é a conversão de alimentos em transferência de calor, trabalho e gordura armazenada. O metabolismo é um exemplo interessante da primeira lei da termodinâmica em ação., Nós agora damos outra olhada nestes tópicos através da primeira lei da termodinâmica. Considerando o corpo como o sistema de interesse, podemos usar a primeira lei para examinar a transferência de calor, fazendo trabalho e energia interna em atividades que vão do sono ao exercício pesado. Quais são algumas das principais características da transferência de calor, fazendo trabalho e energia no corpo? Para um, a temperatura corporal é normalmente mantida constante por transferência de calor para o ambiente. Isto significa que Q é negativo. Outro fato é que o corpo geralmente trabalha no mundo exterior. Isto significa que W é positivo., Em tais situações, então, o corpo perde energia interna, uma vez que ΔU = Q − W é negativo.considere agora os efeitos de comer. Comer aumenta a energia interna do corpo, adicionando energia potencial química (esta é uma visão não romântica de um bom bife). O corpo metaboliza todos os alimentos que consumimos. Basicamente, o metabolismo é um processo de oxidação no qual a energia potencial química dos alimentos é libertada. Isto implica que a alimentação é feita sob a forma de trabalho. A energia alimentar é relatada em uma unidade especial, conhecida como caloria., Esta energia é medida pela queima de alimentos em um calorímetro, que é como as unidades são determinadas.
em química e bioquímica, uma caloria (soletrada com uma minúscula c) é definida como a energia (ou transferência de calor) necessária para elevar a temperatura de um grama de água pura em um grau Celsius. Nutricionistas e observadores de peso tendem a usar a caloria dietética, que é frequentemente chamada de caloria (soletrada com um C maiúsculo). Uma caloria alimentar é a energia necessária para elevar a temperatura de um quilograma de água em um grau Celsius., Isto significa que uma caloria dietética é igual a um quilocalórico para o químico, e deve-se ter o cuidado de evitar confusão entre os dois.mais uma vez, considere a energia interna que o corpo perdeu. Há três lugares onde esta energia interna pode ir-para a transferência de calor, para fazer o trabalho, e para a gordura armazenada (uma pequena fração também vai para a reparação celular e crescimento). A transferência de calor e o trabalho tiram energia interna do corpo, e a comida devolve-a. Se você comer apenas a quantidade certa de comida, então sua energia interna média permanece constante., Tudo o que você perde para a transferência de calor e fazer o trabalho é substituído por alimentos, de modo que, a longo prazo, ΔU=0. Se você sobreaquecer repetidamente, então ΔU é sempre positivo, e seu corpo armazena essa energia interna extra como gordura. O contrário é verdadeiro se você comer muito pouco. Se ΔU é negativo por alguns dias, então o corpo metaboliza sua própria gordura para manter a temperatura corporal e fazer o trabalho que recebe energia do corpo. Este processo é como a dieta produz perda de peso.
A vida nem sempre é tão simples, como qualquer dieter sabe., O corpo armazena gordura ou metaboliza-a apenas se a ingestão de energia muda por um período de vários dias. Uma vez que você está em uma dieta principal, a próxima é menos bem sucedida, porque o seu corpo altera a maneira como ele responde à baixa ingestão de energia. Sua taxa metabólica basal (BMR) é a taxa a que os alimentos são convertidos em transferência de calor e trabalho feito enquanto o corpo está em repouso completo. O organismo ajusta a sua taxa metabólica basal para compensar parcialmente a sobre-alimentação ou sub-alimentação. O organismo irá diminuir a taxa metabólica em vez de eliminar a sua própria gordura para substituir a ingestão de alimentos perdida., Você vai relaxar mais facilmente e se sentir menos energético como resultado da menor taxa metabólica, e você não vai perder peso tão rápido como antes. O exercício ajuda a perder peso, porque produz tanto a transferência de calor do seu corpo e trabalho, e aumenta a sua taxa metabólica mesmo quando você está em repouso. Perda de peso também é auxiliado pelos bastante baixa eficiência do corpo na conversão de energia interna para o trabalho, de modo que a perda de energia interna resultante fazendo o trabalho é muito maior do que o trabalho feito.Deve-se notar, no entanto, que os sistemas vivos não são em thermalequilibrium.,o corpo nos fornece uma excelente indicação de que muitos processos termodinâmicos são irreversíveis. Um processo irreversível pode ir em uma direção, mas não o contrário, sob um determinado conjunto de condições. Por exemplo, embora a gordura corporal pode ser convertida para fazer o trabalho e produzir transferência de calor, o trabalho feito no corpo e transferência de calor para ele não pode ser convertido em gordura corporal. Caso contrário, podemos saltar o almoço ao pôr-do-sol ou descendo as escadas. Outro exemplo de um processo termodinâmico irreversível é a fotossíntese., Este processo é a ingestão de uma forma de energia—luz—por plantas e sua conversão para energia potencial química. Ambas as aplicações da primeira lei da termodinâmica são ilustradas na Figura 4. Uma grande vantagem das leis de conservação, como a primeira lei da termodinâmica, é que elas descrevem com precisão os pontos de início e fim de processos complexos, como o metabolismo e a fotossíntese, sem considerar as complicações no meio. A tabela 1 apresenta um resumo dos Termos relevantes para a primeira lei da termodinâmica.,
Figura 4. a) a primeira lei da termodinâmica aplicada ao metabolismo. O calor transferido para fora do corpo (Q) e o trabalho realizado pelo corpo (W) removem a energia interna, enquanto a ingestão de alimentos a substitui. (A ingestão de alimentos pode ser considerada como trabalho realizado no organismo.) (B) As plantas convertem parte da transferência de calor radiante na luz solar para a energia química armazenada, um processo chamado fotossíntese.
| Tabela 1., Resumo de Termos e condições para a Primeira Lei da Termodinâmica, ΔU = Q − W | |
|---|---|
| Prazo | Definição |
| U | Interna de energia—a soma das energias cinética e potencial de um sistema de átomos e moléculas. Pode ser dividido em muitas subcategorias, como energia térmica e química. Depende apenas do Estado de um sistema (como o seu P, V E T), não de como a energia entrou no sistema. A mudança na energia interna é independente.,energia térmica transferida devido a uma diferença de temperatura. Caracterizado por movimento molecular Aleatório. Altamente dependente do caminho. Q entrar num sistema é positivo.energia de trabalho transferida por uma força que atravessa uma distância. Um processo organizado e ordenado. Dependente do caminho. W feito por um sistema (seja contra uma força externa ou para aumentar o volume do sistema) é positivo., |
Seção Resumo
- A primeira lei da termodinâmica, que é dado como ΔU = Q − W, onde ΔU é a mudança na energia interna de um sistema, Q é o líquido de transferência de calor (a soma de todos os de transferência de calor para dentro e para fora do sistema), e W é o trabalho líquido realizado (a soma de todo o trabalho feito ou pelo sistema).tanto Q Como W São energia em trânsito; apenas ΔU representa uma quantidade independente capaz de ser armazenada.,
- A energia interna U de um sistema depende apenas do Estado do sistema e não de como ele alcançou esse estado.o metabolismo dos organismos vivos e a fotossíntese das plantas são tipos especializados de transferência de calor, trabalho e energia interna dos sistemas.
questões conceptuais
- descreve a foto da chaleira no início desta secção em termos de transferência de calor, trabalho feito e energia interna. Como é que o calor está a ser transferido? Qual é o trabalho feito e o que está fazendo? Como é que a chaleira mantém a sua energia interna?,a primeira lei da termodinâmica e da conservação da energia, como discutido na conservação da energia, estão claramente relacionadas. Como diferem nos tipos de energia considerados?a transferência de calor Q e o trabalho W são sempre energia em trânsito, enquanto a energia interna U é energia armazenada em um sistema. Dê um exemplo de cada tipo de energia, e diga especificamente como ela está em trânsito ou reside em um sistema.como é que a transferência de calor e a energia interna diferem? Em particular, quais os que podem ser armazenados como tal num sistema e quais os que não podem?,se desceres umas escadas e parares, o que acontece à tua energia cinética e à tua energia potencial gravitacional inicial?
- dar uma explicação de como a energia alimentar (calorias) pode ser vista como energia de potencial molecular (consistente com a definição atômica e molecular de energia interna).identifique o tipo de energia transferida para o seu corpo em cada um dos seguintes, quer como energia interna, transferência de calor ou Trabalho: (a) rega-se à luz solar; (B) comer alimentos; (c) andar de elevador para um piso superior.,
Problemas & Exercícios
- o Que é a mudança na energia interna de um carro, se você colocar 12.0 galão de gasolina em seu tanque? O teor energético da gasolina é de 1,3 × 108 J / gal. Todos os outros fatores, como a temperatura do carro, são constantes.Quanta transferência de calor ocorre a partir de um sistema, se sua energia interna diminuiu em 150 J enquanto ele estava fazendo 30,0 J de trabalho?um sistema faz 1.80 × 108 J de trabalho, enquanto 7,50 × 108 J de transferência de calor ocorre no meio ambiente., Qual é a mudança na energia interna do sistema assumindo nenhuma outra mudança (como em temperatura ou pela adição de combustível)?qual é a mudança na energia interna de um sistema que faz 4.50 × 105 J de trabalho, enquanto 3.00 × 106 J de transferência de calor ocorre no sistema, e 8.00 × 106 J de transferência de calor ocorre no meio ambiente?suponha que uma mulher faça 500 J de trabalho e 9500 J de transferência de calor ocorre no ambiente durante o processo. (a) qual é a diminuição em sua energia interna, assumindo nenhuma mudança na temperatura ou no consumo de alimentos?, (Ou seja, não há outra transferência de energia.) (b) Qual é a sua eficiência?(a) quanta energia alimentar um homem metaboliza no processo de fazer 35,0 kJ de trabalho com uma eficiência de 5,00%? (b) quanta transferência de calor ocorre ao ambiente para manter sua temperatura constante?a) qual é a taxa metabólica média em watts de um homem que metaboliza 10.500 kJ de energia alimentar num dia? (b) Qual é a quantidade máxima de trabalho em joules que ele pode fazer sem quebrar a gordura, assumindo uma eficiência máxima de 20,0%? C) comparar a sua produção de trabalho com a produção diária de um 187-W (0.,Motor de 250 cavalos).a) quanto tempo durará a energia num copo de iogurte de 1470 kJ (350 kcal) numa mulher a trabalhar à razão de 150 W, com uma eficiência de 20,0% (tal como em escadas de subida vagarosas)? (b) o tempo encontrado em parte (a) implica que é fácil consumir mais energia alimentar do que você pode razoavelmente esperar para trabalhar com o exercício?a) uma mulher a subir ao Monumento de Washington metaboliza 6.00 × 102 kJ de energia alimentar. Se a eficiência dela for de 18,0%, quanta transferência de calor ocorre no ambiente para manter a temperatura constante?, B) discutir a quantidade de transferência de calor encontrada na alínea a). É consistente com o fato de que você se aquece rapidamente ao fazer exercício?
Glossário
a primeira lei da termodinâmica: afirma que a mudança na energia interna de um sistema é igual a rede de transferência de calor para o sistema menos o trabalho líquido realizado pelo sistema
a energia interna: a soma das energias cinética e potencial de um sistema de átomos e moléculas
o metabolismo humano: conversão de alimento em transferência de calor, trabalho, e a gordura armazenada
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