Primeira lei para processos isovolumétricos
A primeira lei para processos isovolumétricos, conhecida como Primeira Lei da Termodinâmica, diz respeito à variação de temperatura e da energia interna de um gás. Para compreender melhor o assunto, primeiro é necessário entender o que é um processo isovolumétrico.
Processo de transformação isovolumétrica
Também conhecido como isométrico ou isocórico, o processo de transformação isovolumétrica não altera o volume de uma massa gasosa, pois não existe trabalho realizado. Após sofrer uma transformação, o gás continua com o volume, porém, a alteração de temperatura provoca mudanças na sua energia interna. Ou seja, o calor fornecido a um gás é responsável pelo aumento da sua pressão interna. Se a temperatura diminui, a pressão também é reduzida.
As alterações de pressão ocorrem devido às colisões entre as partículas do gás com a parede do invólucro. Quanto maior for a quantidade de colisões, maior será a energia interna. O aumento de temperatura amplia a energia de movimentação das partículas, fazendo com que elas fiquem aceleradas e a pressão aumente. Da mesma forma, quando a temperatura diminui, as partículas se movimentam mais devagar e a pressão diminui. Este processo ocorre quando a embalagem do gás é rígida, como um botijão ou pneu.
Como o material não consegue ultrapassar esta barreira rígida, a pressão e a temperatura variam, mas o volume continua igual. Um exemplo de transformação isovolumétrica são os pneus usados em automóveis, motocicletas e caminhões. Ao rodar pelas ruas, a temperatura dos pneus aumenta e, consequentemente, sua pressão interna também. Por isso, a calibração dos pneus deve ser feita quando eles estão “frios”, para que o nível de pressão seja regulado adequadamente. Por outro lado, veículos usados em corridas, por exemplo, precisam aquecer os pneus para obter a pressão interna ideal para a competição.
Primeira lei para processos isovolumétricos (Primeira Lei da Termodinâmica)
Segundo a Primeira Lei da Termodinâmica, a quantidade de calor (Q) recebida por um elemento em um processo termodinâmico é idêntica ao esforço realizado por ele (τ), somado às mudanças da energia interna (∆U). A equação que representa este princípio é:
Q=τ+∆U
Como foi observado, no processo de transformação isovolumétrica não há realização de esforço, por isso τ é igual a 0. Desta forma, a equação pode ser simplificada, sendo que a quantidade de calor será idêntica às variações de pressão interna do elemento.
Q=0+∆U -> Q=∆U
Se o valor do calor for positivo, quando a temperatura aumenta, a pressão interna aumentará. Caso o valor do calor seja negativo, quando há perda de calor e a temperatura diminui, a pressão diminuirá.
Histórico da primeira lei para processos isovolumétricos
O surgimento da Primeira Lei da Termodinâmica aplicada a sistemas fechados foi gradual, conforme a evolução dos estudos científicos e a criação de máquinas que contribuíram para a Revolução Industrial.
Por volta do século XIX, os cientistas investigavam como acontecia o processo de funcionamento das máquinas térmicas, equipamentos nos quais o calor era transformado em movimento. Na Revolução Industrial, as máquinas a vapor eram o motor principal do progresso. O funcionamento das máquinas era possível a partir de um simples princípio: o gás sofre um processo de expansão ao ser aquecido.
Há indícios de que este princípio já havia sido percebido por Héron de Alexandria, em 50 d.C., que aproveitou esta expansão para gerar força mecânica e desenvolver as primeiras máquinas térmicas. Também acredita-se que Leonardo da Vince utilizou vapor para gerar movimentos.
Em meados de 1760, James Watt observou que as máquinas térmicas desperdiçavam muito vapor e isto significava perda de dinheiro e redução dos lucros do setor industrial. Em 1824, o estudioso francês Sadi Carnot criou uma teoria que esclarecia a quantidade de calor que era transformada em movimento pelas máquinas térmicas. Desta forma, conseguiu criar um modelo teórico, chamado de Máquina de Carnot, que apresentava uma forma mais eficiente de utilizar o calor na produção de trabalho.
Também no século XIX, foi descoberta a teoria da conservação de energia e os cientistas já sabiam que o calor poderia ser produzido por meio de reações químicas, energia mecânica ou eletricidade. Em meados de 1840, James Prescott Joule, um físico inglês, conseguiu estabelecer a quantidade de energia mecânica necessária para produzir uma caloria: 1J = 4,186cal. A unidade foi chamada de Joule em sua homenagem.
Quase 10 anos depois, o matemático William Thomson, que era conhecido como Lorde Kelvin e também atuava nas áreas de engenharia e física, realizou estudos baseados nas pesquisas de Carnot e criou uma escala equivalente entre a escala da termodinâmica e a dos gases ideais. No ano de 1950, Thomson, em parceria com Rudolf Clausius, fizeram estudos com base nas teorias de Joule e do cientista Mayer e criaram a primeira e a segunda lei da termodinâmica.
As descobertas de Thomson e Rudolf Clausius foram fundamentais para aumentar a abrangência da atuação da termodinâmica e para mudar a forma de compreensão do calor com energia. As primeiras comprovações da primeira lei da termodinâmica foram feitas por meio da observação empírica.
