Primeira Lei da Termodinâmica


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PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA

É possível elevar a temperatura de um sistema pela adição de calor (energia térmica) mas também efetuando-se trabalho sobre ele.

Fonte: Wikipedia. Acesso: fev/09

James P. Joule desenvolveu uma experiência que se tornou famosa por para determinar a quantidade de trabalho necessária para elevar de um grau Celsius a temperatura de um grama de água. O aparelho de Joule transforma energia potencial de corpos que caem presos a um fio inextensível em trabalho realizado sobre a água.

Os resultados que Joule alcançou eram afetados por uma incerteza de 5 %, o que, para os padrões da época, era uma excelente precisão. Joule não empregou mais que um recipiente cheio de água (com paredes adiabáticas - termicamente isoladas), um termômetro, dois corpos pesados e uma haste metálica composta de algumas pás. Numa das extremidades da haste, havia uma carretilha. A haste era imersa na água, de modo que as pás pudessem girar livremente no interior do líquido. Da carretilha, que permanecia fora do recipiente, saíam dois fios em direções opostas, cada um dos quais passando por roldanas com eixos dispostos horizontalmente. Na ponta dos fios, amarravam-se os corpos pesados. O bulbo do termômetro, imerso na água, permitia saber a temperatura.

Fonte: Kalipedia. Acesso: fev/09

A experiência consistia tão somente em suspender os dois corpos pesados, por meio da carretilha, e depois liberá-la. Os corpos, atraídos pela Terra, caíam, fazendo a carretilha girar. Esse movimento se transmitia à haste metálica e dessa maneira as pás giravam no interior da água. Como conseqüência do movimento das pás a temperatura do líquido se elevava, o que era indicado pelo termômetro. Sabendo a altura de queda dos corpos Joule pôde calcular a quantidade de energia que, fornecida à água, era responsável pela elevação da temperatura. A fim de conseguir resultados mais satisfatórios, já que a elevação da temperatura da água era pequena, Joule repetiu a queda dos corpos dezenas de vezes seguidas.

Finalmente ele concluiu que 1 caloria-grama é equivalente a 4,186 newton-metro (1 caloria-grama é a quantidade de calor necessária para elevar 1g de água de 14,5⁰C a 15,5⁰C). Assim o equivalente mecânico do calor é 4,186 N.m/cal.g.

Há outras maneiras de efetuar o trabalho sobre o sistema. Podemos por exemplo colocar essa massa de água numa caixa fechada, elevá-la a uma certa altura e depois deixar ela cair efetuando uma colisão inelástica com a superfície. Independentemente do método, observa-se que são iguais as quantidades de trabalho que provocam uma certa variação de temperatura. Pela conservação de energia, o trabalho efetuado sobre o sistema contribui para a elevação da energia interna do sistema em questão.

Definição

O calor recebido por um sistema é igual à soma entre a variação da energia interna do sistema e o trabalho efetuado pelo sistema.

Observe a figura que segue:

É hora de praticar e fazer os exercícios propostos!

Referências

GASPAR, A. Física. São Paulo, v.2, Ática, 2002.
MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B. Física de olho no mundo do trabalho. São Paulo, Scipione, 2003.
SEARS, F. W.; ZEMANSKY, M. W. Física: calor, ondas e óptica. Rio de Janeiro, Universidade de Brasília, 1973.

APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA DE TERMODINÂMICA
NO ENSINO MÉDIO ATRAVÉS DO ESTUDO
DE MÁQUINAS TÉRMICAS COMO TEMA MOTIVADOR

Desenvolvido por Daniel Schulz - UFRGS - 2009