Aula 2 - Primeira Lei da Termodinâmica

o olá pessoal tudo bom sejam muito bem-vindos a segunda aula do curso de termodinâmica 1 para engenharia química nesta hora nós discutiremos a primeira lei da termodinâmica eu sou professor pedro alijó do instituto de química da west essa aula tem como objetivo definir a primeira lei da termodinâmica para sistemas abertos e fechados e discutir algumas simplificações usuais e casos particulares tá começando com uma frase famosa do albert einstein todos os se conhecem ele ficou muito famoso principalmente pela teoria da relatividade mas não acho que ele tinha muito conhecimento termodinâmico e muito respeito pela tema de

nada então basicamente nessa frase ele fala que uma leia tão mais impressionante quanto maior a quantidade de coisas que ela relaciona ea simplicidade dos prêmios é e o maior é possibilidade de aplicações e ele acreditava que as leis da termodinâmica a termodinâmica esse é a única teoria fiz que tem esse conteúdo universal realmente até uma dinâmica tem uma possibilidade de aplicações em diversas áreas a ciência cosmologia na física aniversário da física da química na engenharia química como a gente está vendo aqui no curso a gente vai ver né e ele estava convencido de que é

essa teoria jamais a ser derrubado por outra teoria o que é uma afirmação bastante forte na vida de um homem que mostrou que e não é um vários contextos específicos bem então é bastante forte vindo de uma personalidade bastante famosa que eu acho interessante para trazer em uma motivação para a gente estudar a a termodinâmica com carne e é bom a primeira lei da termodinâmica é uma lei de conservação da energia total do universo é análogo ao princípio de conservação da massa só que agora em termos de energia já que a gente falou de artista

né vamos para os fenômenos nuclear é um caso particular é um caso especial né nas reações nucleares nós estamos nuclear a massa ela é transformada em energia aquela famosa equação de artista não é igual a inicial quadrado então a massa é entendida no seu nucleares como uma forma muito eficiente de armazenar energia consequentemente um balanço de energia de acordo com essas teorias também lambari um balanço de massa simultânea então não é que a primeira lei da termodinâmica não seja válida pra esse tipo de fenômeno nuclear ela continua sendo válido só que como ela é uma

lei de conservação de energia essa conservação de energia vai ter que incluir uma conservação da massa simultânea e essas coisas estão relacionadas pela equação é de arte tem proposta do artista em uma primeira lei da termodinâmica 1 lei de conservação de energia consequentemente a energia não pode ser criada nem destruída ela só pode ser inter convertido entre as suas diferentes formas matematicamente o pode se traduzir como uma variação uma variação diferencial da energia do sistema mais a variação diferencial da energia 12 anos quem quiser e no caso particular do sistema fechado se é um sistema

que não admite né cuja fronteira né é impermeável que não admite transferência de massa a única forma da vivian se trocar energia com sistema é na forma de calor e de trabalho então consequentemente a variação de energia das vizinhanças é menos o calor ou menos o diferencial calor menos o diferencial do trabalho lembrando que esse calor e trabalho sempre dizem respeito quando ele não aparece com a lotação em baixo né nenhuma anotação como tá aqui e diz respeito sempre ao sistema então quanto a isso cabe uma digressão que a convenção sugerida pela iupac né sempre

que o calor ele sai do sistema para vizinhança ao sistema e série de calor nas vizinhanças esse calor ele é negativo do contrário quando o calor entra no sistema esse calor ele é positivo mesma comissão era usada para o trabalho né é um trabalho que ele que a vizinhança realiza sobre o sistema né positivo do trabalho que o sistema a vizinhança e negativo essa convenção é sugerida pelo pac leva outra pela grande maioria dos livros de termodinâmica inclusive pelo smith van ness então a gente vai usar essa convenção aqui no curso certo e no caso

da da variação de energia do sistema o sistema ele pode variar né ele pode mudar a sua energia através de mudança de energia interna são seus graus de liberdade internos né então é aquela energia que estava armazenada nas moléculas do sistema é isso pode contribuir para a variação de energia do sistema além disso existem os graus de liberdade nível macroscópico nosso sistema ele pode é ter uma variação de sua energia cinética e uma variação de energia potencial né então por exemplo a gente pega um frasco né do sistema que contém mais ao nosso sistema de

endereço a gente bahia a velocidade desse fraco né existe uma variação de energia cinética em nível macroscópico né e a mesma forma a gente pega esse fraco e muda a posição dele em relação ao campo gravitacional pode haver uma variação de energia potencial também isso pode contribuir para avaliação de um sistema então substituindo-se na equação lá em cima de conservação a conclusão que a primeira lei da termodinâmica para sistemas fechados pode ser escrita como variação de energia interna do sistema mais variação de energia cinética mais parece uma energia potencial é igual à variação de calor

mais variação de trabalho em algumas simplificações são usuais em uns problemas da engenharia química as variações de energia cinética e potencial macroscópicas elas são desprezíveis frente a variação de energia interna então por exemplo se a gente tem um quilo de água inicialmente em repouso né em um reservatório como elevação de 30 metros então seria grosso modo mais ou menos como se tivesse é um quilo de água armazenado na caixa d'água é de um prédio de 10 andares lá no alto né e aí essa água ela aquilo de água ela cai a partir de uma tubulação

até o térreo e sofre por exemplo uma aceleração de 20 metros por segundo é uma aceleração razoável e nesse processo ela aquece 5° tá então se a gente for comparar as energias envolvidas do ponto de vista do sistema desse quilo de água a gente vai chegar à conclusão que a variação de energia potencial nessa queda é de cerca de 294 jaws e a variação de energia cinética de resulta em 200 graus e a variação de energia interna a gente pode aproximar por m vezes o calor específico da água vezes delta tmc delta-p que no caso

aqui vai dar cerca de 21 mil jales ou seja rapidamente aqui a gente chega à conclusão de que a contribuição da variação da energia interna é que cerca de noventa e oito por cento da variação de energia do sistema de modo que esses dois temos aqui questão de variação da energia potencial parece um registro médico então marcas podem ser desprezadas sem prejuízo à nossa análise na grande maioria dos problemas da engenharia química é para a seguinte aqui nesse exemplo a gente exagerou um pouquinho a gente propôs aqui uma elevação de 30 médicas elevação de um

prédio de 10 andares e uma aceleração também bastante significativas para a água é para que uma planta química não é comum a gente ter esse tipo de elevação na geralmente os equipamentos eles não estão aí então de e não estão não tem uma diferença de altura tão grande assim entroncamento e outro e nem tampouco é mais raro você tem também uma aceleração tão grande assim então é a gente mesmo exagerando né nesse exemplo a gente mostrou e essa esse corte né esse esse desprezo desses dois termos pode ser razoável na grande maioria dos casos para

gente e consequentemente a variação de energia interna fica sendo aproximadamente igual à variação do calor mas a variação do trabalho então salvo aplicações especiais com uma dispersão entrou química a sua mãe de trabalho mais comuns são as de expansão volumétrica e trabalho de transporte substituir né aqui no na variação trabalho a oração do trabalho de expansão volumétrica vende pressão externa de ver mais é o trabalho de eixo e na ausência de trabalho de eixo esse tema que vai a zero resulta em de que menos fez terno de ver oi mãe como é que fica aí

é o balanço de energia em outras palavras a primeira lei em sistemas abertos os seguintes sistemas em que a possibilidade de fluxo de massa através das fronteiras sistemas posição que eles são impermeáveis é esse é o tipo de sistema pessoal mais comum ainda é a química é muito mais como não processos químicos na plantas químicas a gente se inscrever sistemas abertos né que a gente tem um aumento é processos contínuos né em que a gente vai ter aqui uma uma corrente simplificadamente dá uma corrente entrando no nosso volume de controle que seja o nosso sistema

nosso processo e uma corrente de saída claro que podem ter mais de uma corrente entrando mas não conheço ainda que uma simplificação ea gente vai vai existe a possibilidade de está sendo trocado realizado trabalho de eixo é predominantemente né e trocas térmicas também entre o sistema ea vizinhança certo e a equação que é rigorosamente a mesma então primeira lei continua sendo escrito da forma como a gente produzir naturalmente até que já já coloquei na forma integrada a diferença desse no trabalho né então trabalho total com fundo o trabalho tá lindo do trabalho direito do trabalho

doméstico ciclone de controle sistema poder se decida formado é vai ter um trabalho associado ao escoamento que para você ter uma corrente entrando você tiver empurrar aqui vamos ver um elemento de volume do sistema vai para existir um trabalho cada um escoamento né da corrente de entrada também na corrente de saída e isso vai computrabajo de total e vai resultar uma expressão é um pouco diferente como a gente vai ver a seguir oi mãe então trabalho total ele vai ser o trabalho de eixo mais trabalho de escoamento da corrente de entrada menos o trabalho de

comenta correntes aí como é que a gente pode escrever esse trabalho de escoamento da corrente de entrada né esses momentos tão correndo nessa direção então esse momento desse elemento de fluido que necessariamente vai ter que entrar no sistema aqui né então para isso acontecer vai ter que ter uma força atuando sobre esse elemento de fluido que vai promover o deslocamento delta x então usando o conceito de trabalho né o trabalho é forças de deslocamento né então fazendo artifício aqui multiplicando e dividindo pela área que essa força tatuando vai aparecer o que é f1 sobre a

1 = a pressão é força isso cara igual a pressão então assim sobre a uma igual ter um e delta x área né essa área multiplicado pelo deslocamento é igual ao volume de fluido que está entrando no sistema parece que você p venham logo o trabalho de um aumento da corrente de entrada tem um e principalmente vai ser pressão vezes volume né da mesma forma o trabalho de comentar corrente saída vai ser ter 2 v2 gente define tal aqui um trabalho se o trabalho de escoamento que vai ser sempre da pressão diz do volume é

toda vez que aparecer esse produto tv e são trabalho de escoamento tá é só substituindo na equação de balanço em que obtêm essa expressão i i é rearranjando os termos né passando aqui o os trabalhos de escoamento para a esquina da igualdade a gente chega à conclusão que vai aparecer aqui é uma identidade importante que vocês viram ela físico-química que é o mais pv ela vai aparecer aqui o 2 + p2 e um mais perguntam uh energia interna mais pv que é um trabalho de escola mesmo vai ser igual né por definição a entalpia do

sistema tá então consequentemente aqui vai aparecer a entalpia dá para gente sair da h2 e que vai ser a itapira da corrente de entrada h1 essa aqui vai ser uma variação de entalpia h2 - a um né a gente acabou de concluir certo consequentemente a primeira lei para sistemas abertos fica sendo deltaga mas variação de energia cinética uma variação de energia potencial igual a calor mais trabalho de eixo e considerando que a gente está tratando de um sistema típico da internet em que a gente não tem frequentemente outras formas de trabalhistas com trabalho de variação

diária e trabalho de elétrico por exemplo antes fica mais estrito mais frequentemente a trabalho de eixo o trabalho de expansão volumétrica nesse caso esse é o balanço energia para sistemas abertos lembrando que aqui a gente fez uma análise de sistemas abertos em estado estacionário em regime permanente não está considerando enfeite jacuna efeitos transientes mais para frente no curso a gente vai discutir esse tema em regime transiente que vai ser importante para a gente tá também tem um caso particular para sistemas está funcionário que é o caso mais comum nas análises da engenharia química a gente

analisar sistemas em regime permanente tá certo pessoal então conheci a gente encerra essa vídeo aula espero que vocês tenham gostado um grande abraço e até a próxima