Submódulo 3: Primeira lei da termodinâmica e energia interna
Introdução à Primeira Lei da Termodinâmica
🎯 Introdução à Primeira Lei da Termodinâmica
Nesta introdução conceitual, vamos alinhar a linguagem que aparece nas questões do ENEM sobre energia e transformações. A primeira lei da termodinâmica, também chamada de princípio da conservação de energia, afirma que a energia total de um sistema isolado permanece constante. Em termos formais, para um sistema em interação com sua vizinhança, a variação da energia interna ΔU é igual ao calor transferido para o sistema menos o trabalho realizado pelo sistema sobre o entorno: ΔU = Q − W. Esta expressão carrega três ideias centrais: (1) a energia interna U é uma grandeza de estado, dependente apenas do estado atual do sistema (temperatura, pressão, volume) e não de como o sistema chegou ali; (2) calor (Q) e trabalho (W) são as interfaces de transferência de energia entre o sistema e o ambiente, e seus sinais devem ser interpretados com cuidado; (3) em problemas de ENEM, muitas situações envolvem mudar a temperatura com ou sem variação de volume, o que altera ΔU conforme a natureza do processo. (1)(2)(3)
Para tornar isso mais concreto, imagine um pistão contendo gás: se o pistão é aquecido sem mudar de volume (ou com mudança de volume limitada), parte do calor adicionado se transforma em energia interna e parte pode ser convertida em trabalho mecânico. Se o pistão está preso (volume constante), não há expansão nem compressão, portanto o trabalho realizado pelo gás é praticamente zero e todo o calor que entra aumenta a energia interna. Por outro lado, se o gás é comprimido, parte da energia é gasta para realizar trabalho sobre o ambiente, reduzindo o ganho de energia interna para o mesmo calor fornecido. Essas ideias são centrais para a resolução de questões do ENEM que exploram balanços de energia em processos térmicos simples, como aquecer uma garrafa térmica, comprimir gás, ou acionar um motor com combustão interna. (1)(2)
Conforme exploramos, a primeira lei não especifica como realizar as transformações, apenas afirma que a energia total é conservada. A frase ΔU = Q − W também introduz a convenção de sinais: calor positivo quando o sistema recebe energia do ambiente, e trabalho positivo quando o sistema realiza trabalho sobre o ambiente. Em problemas, é comum que o enunciado descreva o tipo de processo (isotérmico, isobárico, isocórico ou adiabático) para que possamos identificar a relação entre Q, W e ΔU de forma direta. Por fim, lembre-se de que ENEM tende a cobrar a aplicação prática dessa lei em contextos de máquinas térmicas e de energia, com ênfase na conservação de energia em transformações entre calor, trabalho e energia interna. (2)(3)
📋 Edital: Transformações energéticas em ENEM - Peso: alto | Frequência nas provas: alta
🧰 Exercício ENEM: Um sistema com gás ideal é aquecido a temperatura T2, começando de T1, com o volume mantendo-se aproximadamente constante. Explique, qualitativamente, como ΔU muda quando há aquecimento sem expansão e quando há expansão com trabalho de pistão. Em seguida, descreva como o balanço de energia (ΔU = Q − W) se aplica a cada caso, identificando o papel de Q e de W.