Primeira lei da Termodinâmica

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A primeira lei da termodinâmica pode ser expressa de várias formas distintas, todas elas equivalentes. Por exemplo, a primeira lei identifica a existência de uma função de estado, a chamada energia interna. A cada sistema termodinâmica e equilíbrio é possível caracterizar uma função de estado, ou seja, a função que só depende do estado em que o sistema está.

A primeira lei da Termodinâmica diz respeito à possibilidade de conversão de calor em trabalho e vice-versa.

Q = Calor trocado por um sistema;

W = Trabalho trocado por um sistema;

ΔU = variação da energia interna desse sistema.

Obs₁: Quando Q e W são positivos eles representam as energias que estão entrando no sistema e são negativos quando representam energias que estão saindo do sistema.
Obs₂: Com relação a máquinas térmicas, o trabalho (W) é positivo quando realizado sobre o sistema, e negativo quando realizado pelo sistema.

Processo reversível

Um processo é reversível quando o seu sentido pode ser revertido em qualquer ponto por uma variação infinitesimal nas condições externas.

Um processo reversível deve:

Ser sem atrito;

Nunca estar afastado mais do que infinitesimalmente do equilíbrio;

Atravessar uma sucessão de estados de equilíbrio;

Ser causado por forças não-equilibradas e a diferença é infinitesimal em magnitude;

Poder ser revertido em qualquer ponto por uma variação infinitesimal nas condições externas;

Percorrer no sentido inverso a mesma trajetória, restaurando o estado inicial do sistema e da vizinhança, quando revertido.

A expressão do trabalho de compressão feito sobre o sistema termodinâmico em um processo reversível é:

Essa integral pode ser resolvida desde que se conheça a forma como a pressão do gás varia com o volume.
Para um gás perfeito em um processo isotérmico:

Ou,

Já num processo de compressão ou expansão adiabático, a expressão final parte da equação abaixo :

Pois, esse é um processo no qual a fronteira do sistema submetido a uma transformação é adiabática (impermeável ao calor, Q=0)
Obs ₃: No processo adiabático, a obtenção dos valores de P, T ou V do estado final, a partir dos valores do estado inicial, não pode ser feita com a equação de estado dos gases ideais.

onde,

C_P: calor específico para pressão constante,

C_V: calor específico para volume constante,

γ: coeficiente de expansão adiabática.

A relação entre C_P e C_V é a seguinte

onde R é a constante universal dos gases ideais.