Semana2

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Introdução à primeira lei da 
termodinâmica
Apresentação
Esta Unidade de Aprendizagem apresenta uma introdução e conceitos básicos da primeira lei da 
termodinâmica, também conhecida como princípio de conservação da energia e oferece uma base 
sólida para o estudo das relações entre as diversas formas de energia e interações de energia. Você 
verá a importância do estudo da conservação de energia, sendo que a energia não pode ser criada 
nem destruída durante um processo; ela pode apenas mudar de forma. Bons estudos! Ao final desta 
unidade você deve apresentar os seguintes aprendizados: 
Bons estudos.
Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
Analisar a primeira lei da termodinâmica.•
Identificar alguns exemplos da primeira lei da termodinâmica.•
Demonstrar os vários problemas da primeira lei da termodinâmica encontrados na prática.•
Infográfico
No esquema abaixo podemos observar as etapas para um projeto da primeira lei da 
termodinâmica.
Conteúdo do livro
Acompanhe um trecho da obra em que são abordados os conceitos e exemplos sobre a primeira lei 
da termodinâmica. O livro é Termodinâmica, de Çenge, Yunus A.. A leitura começa em "A primeira 
lei da termodinâmica".
Boa leitura.
Yunus A. Çengel
Michael A. Boles
Termodinâmica
7a Edição
Inclui CD
Com versão educacional 
do programa EES para 
resolução de problemas
Catalogação na publicação: Ana Paula M. Magnus – CRB 10/2052
Ç99t Çengel, Yunus A. 
 Termodinâmica [recurso eletrônico] / Yunus A. Çengel,
 Michael A. Boles ; tradução: Paulo Maurício Costa Gomes
 ; revisão técnica: Antonio Pertence Júnior. – 7. ed. – Dados
 eletrônicos. – Porto Alegre : AMGH, 2013.
 Editado também como livro impresso em 2013.
 ISBN 978-85-8055-201-0
 1. Engenharia. 2. Termodinâmica. 3. Física – Calor.
 I. Boles, Michael A. II. Título.
CDU 621.43.016:536
70 Termodinâmica
encontrados na prática não têm natureza mecânica. Entretanto, esses modos de 
trabalho não mecânicos podem ser tratados de forma semelhante, identificando 
uma força generalizada F que atua na direção de um deslocamento generalizado 
x. Assim, o trabalho associado ao deslocamento diferencial sob a influência des-
sa força é determinado por �W � Fdx.
Alguns exemplos de formas não mecânicas de trabalho incluem o trabalho 
elétrico, no qual a força generalizada é a voltagem (o potencial elétrico) e o des-
locamento generalizado é a carga elétrica, como já foi discutido anteriormente; 
o trabalho magnético, no qual a força generalizada é a intensidade do campo 
magnético e o deslocamento generalizado é o momento magnético coulombiano, 
e também o trabalho de polarização elétrica, no qual a força generalizada é a 
intensidade do campo elétrico e o deslocamento generalizado é a polarização do 
meio (a soma dos momentos de rotação elétricos das moléculas). Uma análise 
detalhada desses e de outros modos de trabalho não mecânico pode ser encontrada 
em livros especializados.
2–6 A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Até agora, consideramos as diversas formas de energia, como calor Q, trabalho W 
e energia total E, de maneira individual, não tentando relacioná-las entre si durante 
um processo. A primeira lei da termodinâmica, também conhecida como princí-
pio de conservação da energia, oferece uma base sólida para o estudo das relações 
entre as diversas formas de energia e interações de energia. Com base em observa-
ções experimentais, a primeira lei da termodinâmica enuncia que energia não pode 
ser criada nem destruída durante um processo; ela pode apenas mudar de forma. 
Cada parcela de energia deve ser contabilizada durante um processo.
Todos sabemos que uma pedra em uma certa altura possui energia poten-
cial, sendo parte dessa energia potencial convertida em energia cinética à medi-
da que a pedra cai (Fig. 2–39). Dados experimentais mostram que a diminuição 
da energia potencial (mg �z) é exatamente igual ao aumento da energia cinética 
[ ] quando a resistência do ar é desprezível, confirmando assim o 
princípio de conservação da energia – neste caso, a mecânica.
Considere um sistema passando por uma série de processos adiabáticos de 
um estado especificado 1 para outro estado especificado 2. Por serem adiabáticos, 
esses processos obviamente não podem envolver qualquer transferência de calor, 
mas podem envolver diversos tipos de interações de trabalho. Medições cuida-
dosas durante esses experimentos indicam o seguinte: para todos os processos 
adiabáticos entre dois estados especificados de um sistema fechado, o trabalho 
líquido realizado é o mesmo independentemente da natureza do sistema fechado e 
dos detalhes do processo. Considerando as infinitas maneiras pelas quais é possí-
vel realizar trabalho sob condições adiabáticas, essa afirmação parece ser bastante 
poderosa, com potencial para implicações de maior alcance. Ela, que se baseia em 
grande parte nos experimentos de Joule na primeira metade do século XIX, não 
pode ser obtida por meio de nenhum outro princípio físico conhecido e é reconhe-
cida como um princípio fundamental. Esse princípio é chamado de primeira lei 
da termodinâmica ou apenas primeira lei.
Uma das principais consequências da primeira lei é a existência e definição 
da propriedade energia total E. Considerando o trabalho líquido como o mesmo 
em todos os processos adiabáticos de um sistema fechado entre dois estados es-
pecificados, o valor do trabalho líquido deve depender apenas dos estados inicial 
e final do sistema e, portanto, deve corresponder à variação de uma propriedade 
EP1 � 10 kJ
m
EC1 � 0
�z
EP2 � 7 kJ
m
EC2 � 3 kJ
FIGURA 2–39 A energia não pode ser 
criada nem destruída; ela pode apenas 
mudar de forma.
 Capítulo 2 Energia, Transferência de Energia e Análise Geral da Energia 71
do sistema. Essa propriedade é a energia total. Observe que a primeira lei não faz 
referência ao valor da energia total de um sistema fechado em um estado. Ela sim-
plesmente declara que a variação da energia total durante um processo adiabático 
deve ser igual ao trabalho líquido realizado. Assim, qualquer valor arbitrário con-
veniente pode ser atribuído à energia total em um estado especificado para servir 
como ponto de referência.
A conservação da energia está implícita no enunciado da primeira lei. Em-
bora a essência da primeira lei seja a existência da propriedade energia total, a 
primeira lei quase sempre é vista como uma declaração do princípio de conser-
vação da energia. A seguir, desenvolvemos a primeira lei ou a equação de con-
servação da energia com a ajuda de alguns exemplos conhecidos e argumentos 
intuitivos.
Em primeiro lugar, consideramos alguns processos que envolvem transferên-
cia de calor, mas não interações de trabalho. A batata assada em um forno é um 
bom exemplo para este caso (Fig. 2–40). Como resultado da transferência de ca-
lor para a batata, sua energia aumentará. Desprezando qualquer transferência de 
massa (perda de umidade da batata), o aumento da energia total da batata torna-se 
igual à quantidade de calor transferido. Ou seja, se 5 kJ de calor forem transferidos 
para a batata, o aumento de energia da batata também será de 5 kJ.
Em outro exemplo, considere o aquecimento da água em uma panela sobre 
um fogão (Fig. 2–41). Se forem transferidos 15 kJ de calor para a água pelo quei-
mador, e se 3 kJ se perderem da água para o ar ambiente, o aumento da energia da 
água será igual ao calor líquido transferido para a água, que é de 12 kJ.
Consideremos agora como nosso sistema uma sala bem isolada (ou seja, 
adiabático) aquecida por um aquecedor elétrico (Fig. 2–42). Como resultado do 
trabalho elétrico realizado, a energia do sistema aumentará. Como o sistema é 
adiabático, não podendo haver nenhuma transferência de calor de ou para a vizi-
nhança (Q � 0), o princípio de conservação da energia diz que o trabalho elétrico 
realizado sobre o sistema deve ser igual ao aumento da energia do sistema.
Em seguida, vamos substituir o aquecedor elétrico por umahélice (Fig. 2–43). 
Como resultado do processo de agitação, a energia do sistema aumentará. Nova-
mente, como não há interação de calor entre o sistema e sua vizinhança (Q � 0), 
o trabalho de eixo realizado sobre o sistema deve se manifestar como um aumento 
da energia do sistema.
Muitos de vocês, provavelmente, devem ter percebido que a temperatura do 
ar se eleva quando ele é comprimido (Fig. 2–44). Isso acontece porque energia é 
transferida para o ar na forma de trabalho de fronteira. Na ausência de transferên-
cia de calor (Q � 0), todo o trabalho de fronteira será armazenado no ar como par-
te de sua energia total. O princípio de conservação da energia exige que o aumento 
da energia do sistema seja igual ao trabalho de fronteira realizado sobre o sistema.
Podemos estender essas discussões a sistemas que envolvem diversas intera-
ções simultâneas de calor e trabalho. Por exemplo, se um sistema ganhar 12 kJ de 
calor durante um processo, enquanto 6 kJ de trabalho é realizado sobre ele, o au-
mento da energia do sistema durante esse processo é de 18 kJ (Fig. 2–45). Ou seja, 
a variação da energia de um sistema durante um processo é simplesmente igual à 
transferência de energia líquida para o (ou do) sistema.
Balanço de energia
De acordo com as discussões anteriores, o princípio de conservação da energia 
pode ser expresso da seguinte maneira: A variação líquida (aumento ou diminui-
ção) da energia total do sistema durante um processo é igual à diferença entre a 
Qent � 5 kJ
Batata
�E � 5 kJ
FIGURA 2–40 O aumento da energia 
de uma batata em um forno é igual à 
quantidade de calor transferido para ela.
�E � Qliq � 12 kJ
Qent � 15 kJ
Qsai � 3 kJ 
FIGURA 2–41 Na ausência de interações 
por trabalho, a variação da energia de um 
sistema é igual ao calor líquido transferido.
Went � 5 kJ
(Adiabático)
Bateria
�E � 5 kJ
� 	
FIGURA 2–42 O trabalho (elétrico) 
realizado em um sistema adiabático é igual 
ao aumento da energia do sistema.
Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para 
esta Unidade de Aprendizagem. Na Biblioteca Virtual 
da Instituição, você encontra a obra na íntegra.
 
Dica do professor
O vídeo abaixo explica os conceitos e a importância da primeira lei da termodinâmica considerando 
alguns exemplos e a aplicabilidade desta lei.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.
https://fast.player.liquidplatform.com/pApiv2/embed/cee29914fad5b594d8f5918df1e801fd/f649aa081a6dc69c44b6820dcadb23a6
Exercícios
1) Como podemos definir a conservação de energia? 
A) Conservação de energia é a energia que não se transforma; ela perpassa de uma forma à 
outra de maneira impressionante, mas não se conserva.
B) Conservação de energia é um princípio em que, em um sistema isolado, há uma entidade 
fundamental chamada energia que se conserva, seja qual for a transformação sofrida pelo 
sistema.
C) Conservação de energia é um princípio em que, em um sistema isolado, há uma entidade 
fundamental chamada energia que não se conserva, seja qual for a transformação sofrida pelo 
sistema.
D) Conservação de energia é um princípio em que, em um sistema aberto, há uma entidade 
fundamental chamada energia que se conserva, seja qual for a transformação sofrida pelo 
sistema.
E) Conservação de energia estabelece que a quantidade total de energia em um sistema isolado 
não é constante.
2) Sobre a convenção de sinais da primeira lei da termodinâmica é correto afirmar: 
A) Consideramos a energia interna positiva se a energia interna do sistema aumentar.
B) Consideramos o calor positivo se o calor fluir do sistema para a suavizinhança.
C) Consideramos o trabalho positivo se o trabalho for realizado pelavizinhança sobre o sistema.
D) Consideramos o trabalho negativo se o trabalho for realizado pelo sistema sobre sua 
vizinhança.
E) Consideramos o calor negativo se o calor fluir da vizinhança para osistema.
3) Considerando o trabalho líquido como o mesmo em todos os processos adiabáticos de um 
sistema fechado entre dois estados especificados, o valor do trabalho líquido deve depender 
apenas dos estados inicial e final do sistema e, portanto, deve corresponder à variação de 
uma propriedade do sistema. Qual é essa propriedade? 
A) Energia potencial.
B) Energia cinética.
C) Energia total.
D) Energia térmica.
E) Energia mecânica.
4) Marque a alternativa correta: 
A) Em um sistema isolado, há uma entidade fundamental chamada energia que não se conserva, 
seja qual for a transformação sofrida pelo sistema.
B) Uma das principais consequências da primeira lei é a existência e definição da propriedade 
energia cinética.
C) Para todos os processos adiabáticos entre dois estados especificados de um sistema fechado, 
o trabalho líquido realizado não é o mesmo, independentemente da natureza do sistema 
fechado e dos detalhes do processo.
D) A primeira lei da termodinâmica enuncia que a energia pode ser criada durante um processo e 
pode mudar de forma.
E) A primeira lei da termodinâmica enuncia que energia não pode ser criada nem destruída 
durante um processo, ela pode apenas mudar de forma.
5) Considere as seguintes alternativas: 
 
I- Toda energia interna perdida pelo sistema é convertida em calor (Q) por meio do atrito. 
II- A energia interna U do sistema deve permanecer constante ou, equivalentemente, a 
variação da energia interna deve ser zero. 
III- A diferença entre o trabalho W e o calor Q representará a variação da energia interna do 
sistema: ΔU = Q - W. 
 
Quais alternativas estão INCORRETAS? 
A) Todas as alternativas estão corretas.
B) Todas as alternativas estão incorretas.
C) I e II.
D) Apenas I.
E) I e III.
Na prática
A primeira lei da termodinâmica, também conhecida como princípio de conservação da energia, 
oferece uma base sólida para o estudo das relações entre as diversas formas de energia e 
interações de energia.
Com base em observações experimentais, a primeira lei da termodinâmica enuncia que energia não 
pode ser criada nem destruída durante um processo; ela pode apenas mudar de forma.