Primeira Lei da Termodinâmica: Lei da Conservação de Energia

Você já se perguntou o que acontece com a madeira enquanto ela queima? Parece que a madeira pode desaparecer no ar. Embora a queima de madeira pareça criar energia e destruir a madeira, nenhuma delas é criada ou destruída. Em vez disso, energia e matéria estão mudando de uma forma para outra. A madeira contém o que chamamos de energia potencial química , que é a energia armazenada nas ligações que mantêm os produtos químicos unidos. Essa energia armazenada é liberada na forma de calor e luz quando a madeira é queimada.

A madeira também contém matéria , que é tudo o que tem massa e ocupa espaço (volume). A matéria dentro da madeira é transformada em matéria diferente, incluindo cinza e fuligem, à medida que queima. A quantidade total de energia e matéria na madeira antes da queima é igual à energia e matéria da cinza, fuligem, calor e luz após a queima. Em outras palavras, energia e matéria são conservadas durante e após a queima da madeira.

Ao queimar madeira, a energia e a matéria são conservadas e convertidas em diferentes formas.

Esse fenômeno da conservação é explicado pelo que chamamos de primeira lei da termodinâmica , às vezes chamada de lei da conservação de energia . A lei afirma que a energia não pode ser criada ou destruída. A energia pode ser descrita como a capacidade de realizar trabalho, onde trabalho é o movimento da matéria quando uma força é aplicada a ela. Com o exemplo da queima de madeira, a energia que vemos na forma de fogo não é criada do nada, mas vem da energia que está armazenada na madeira. Da mesma forma, a madeira não é destruída, mas sim convertida em cinzas e fuligem.

Para entender melhor a lei da conservação de energia, precisamos considerar o fato de que ela se aplica a sistemas. Um sistema é simplesmente uma coleção de partes componentes que formam um todo. A queima de madeira é um sistema que inclui a madeira, o calor, as cinzas e a fuligem. O universo é o maior sistema que conhecemos e inclui toda a matéria e toda a energia, incluindo a madeira em chamas da qual estamos falando. Existem outros exemplos de pequenos sistemas. Por exemplo, você pode considerar seu corpo como um sistema. Quando estiver cozinhando, você também pode considerar uma panela com água no fogão como um sistema.

Agora que temos uma boa compreensão dos sistemas, vamos considerar a diferença entre um sistema aberto e um sistema fechado e discutir a lei da conservação de energia conforme se aplica a cada um. Um sistema fechado é um sistema no qual nenhuma matéria ou energia pode entrar ou sair. A primeira lei da termodinâmica nos diz que a quantidade de energia em qualquer sistema fechado é constante – ela não muda.

Um sistema aberto , por outro lado, permite que as coisas entrem e saiam, como lenha em uma lareira. Aqui, você pode adicionar lenha à lareira e acendê-la com um fósforo, digamos, do seu bolso. Calor, cinzas e fuligem podem deixar a lareira enquanto o fogo queima. Em outras palavras, energia e massa podem entrar e sair de um sistema, contanto que venham de um sistema ou saiam para ir para outro sistema. É importante notar, no entanto, que a massa total e a energia em nosso universo permanecem constantes.

Como a maioria dos sistemas não são fechados, a lei da conservação de energia pode ser reformulada para dizer que a mudança na energia interna do sistema é igual à diferença entre a quantidade de energia que entra menos a quantidade de energia que sai. Em outras palavras, a quantidade de energia em um sistema pode mudar, mas apenas se vier de outro sistema ou for para outro sistema.

De qualquer forma, os sistemas, abertos ou fechados, não criam nem destroem energia. Em vez disso, a energia pode entrar de um sistema e sair para outro. A energia que entra em um sistema deve ser armazenada lá ou sair. Um sistema não pode gastar mais energia do que contém sem receber energia adicional de uma fonte externa.

Aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica

Agora que entendemos que a energia é conservada dentro de um sistema, vamos considerar algumas aplicações práticas da lei. Em outras palavras, o que isso faz por mim? Como é que a compreensão da lei da conservação nos ajuda?

O motivo pelo qual as máquinas precisam de uma entrada constante de energia para funcionar é que parte da energia é perdida com o atrito.

Você já ouviu falar de uma máquina de movimento perpétuo? Essa máquina continuaria a funcionar sem qualquer entrada de energia. Nenhuma máquina desse tipo jamais foi construída e, de acordo com a lei de conservação de energia, tal máquina nunca o será. Cada máquina requer a entrada contínua de energia para continuar funcionando. O tipo de energia que fornece a entrada pode variar, incluindo o sol para a energia solar, o vento para mover um moinho de vento, a água fluindo sobre a barragem, a quebra de produtos químicos como a gasolina para mover nossos automóveis ou a quebra de produtos químicos nos alimentos que comemos pedalar uma bicicleta. Uma bicicleta realmente boa pode permanecer em solo nivelado por um longo tempo, mas eventualmente irá parar a menos que alguém pedale a bicicleta.

Então, como a lei da conservação de energia nos ajuda a explicar por que as máquinas param de funcionar se nenhuma energia é colocada no sistema? A princípio, a lei da conservação de energia pode parecer não se aplicar às máquinas porque temos que adicionar energia constantemente. Portanto, parece que a energia não está sendo conservada. Mas, ao contrário, a lei se aplica de maneira absoluta e, de fato, se aplica a todas as máquinas e sistemas.

Sempre que uma máquina funciona, parte da energia é perdida, o que chamamos de atrito . O atrito é o calor gerado pelo movimento de objetos em contato uns com os outros. Não importa o quão bem lubrificadas as rodas de uma bicicleta, por exemplo, toda bicicleta perderá energia com o atrito enquanto se move. Esta energia perdida por atrito tem que vir de algum lugar de acordo com a lei de conservação de energia, e de fato vem. Ele vem da energia do sistema – neste caso, o sistema é a bicicleta em ponto morto. Eventualmente, toda a energia da bicicleta em desaceleração será perdida com o atrito e a bicicleta irá parar. Entende? A lei se aplica.

A lei da conservação de energia se aplica a toda matéria e energia em todos os sistemas, independentemente das condições. Por se tratar de uma lei, presumimos que seja verdadeira em todos os casos, mesmo que nossas observações não pareçam estar de acordo com a lei. Do contrário, presumimos que não estamos contabilizando alguma forma de energia. Essa suposição nos ajudou a descobrir novas formas de energia.

Resumo da lição

A quantidade de energia e massa no universo é constante. Tem sido assim desde o início dos tempos. A energia pode ser alterada de uma forma para outra, mas não pode ser criada ou destruída. A energia pode ser movida de um sistema para outro, mas não pode ser criada do nada. Da mesma forma, um sistema não pode destruir energia; em vez disso, a energia pode ser transferida para outro sistema.

Todas as máquinas, sejam feitas pelo homem ou naturais, precisam de uma fonte de energia para continuar funcionando. Enquanto essa energia for fornecida, a máquina pode continuar trabalhando. Quando a fonte de energia é removida, no entanto, a máquina irá eventualmente parar. A máquina para devido ao atrito . O atrito, novamente, é o calor gerado devido ao movimento de objetos em contato uns com os outros. Este princípio é conhecido como a primeira lei da termodinâmica ou lei da conservação de energia . A lei se aplica a todos os sistemas, grandes e pequenos, e, novamente, afirma que a energia não pode ser criada ou destruída.

Resultados de Aprendizagem

Depois de assistir a esta lição, você será capaz de:

Definir energia e sistema
Explique a primeira lei da termodinâmica
Diferencie entre um sistema fechado e um sistema aberto
Entenda como a primeira lei da termodinâmica se aplica às máquinas