A primeira lei da termodinâmica estabelece que a energia total de um sistema é conservada durante qualquer processo. Foi formulada no século XIX com base no princípio da conservação da energia. Ela relaciona a variação na energia interna de um sistema com o calor transferido e o trabalho realizado.

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Aula 4 - Primeira lei da termodinâmica
A primeira lei da termodinâmica foi formulada pela primeira vez por Helmholtz
na metade do século XIX, baseando-se num princípio fundamental da física: a
conservação da energia, mas participaram na formulação deste princípio outros
estudiosos como Hess, Meyer, Joule. É considerado um postulado, pois não existe uma
demonstração matemática. Esta lei estabelece que nas transformações energéticas, o
total de energia envolvida na transformação permanece sempre constante, ou seja, da
mesma forma como se estabelece a conservação da massa, a energia também não surge
do nada nem desaparece milagrosamente. Se um determinado tipo de energia
aparentemente diminui, outra forma surge numa quantidade equivalente, mantendo o
total constante.
No início da termodinâmica, as pessoas estavam interessadas em estudar a
transformação mutua entre calor e trabalho. Foi no surgimento da máquina a vapor, que
tornou o trabalho escravo obsoleto. Naquela época a produção de bens era baseada no
trabalho braçal, animal, ou em raros casos, roda d'água e cata-vento. A navegação na
época era totalmente baseada na ação dos ventos ou na tração animal. O surgimento da
máquina a vapor, capaz de movimentar fábricas, trens, navios, etc., despertou o
interesse de muita gente, industriais, governos, pois este tópico está envolvido
diretamente com a economia de um país.
O conteúdo do primeiro princípio da termodinâmica emana da generalização de
muitos anos de experiências acumuladas pela humanidade pela atividade prática com
máquinas térmicas e suas variantes. Mas, como os processos termodinâmicos envolvem
troca de calor e trabalho mecânico, este princípio foi ampliado com a introdução do
conceito de energia interna de um sistema. A energia interna de um sistema pode ser
entendida como a soma da energia cinética de todas as partículas que constituem o
sistema, somada com a sua energia potencial total devido à interação entre elas. A
energia interna será representada pela letra U. Da mesma forma como acontece para a
energia potencial gravitacional de um corpo, a variação da energia interna depende
apenas dos estados inicial e final.
A primeira lei da termodinâmica fornece uma relação para encontrar a variação
da energia interna, dU a partir do calor transferido e do trabalho realizado, com isso, é
possível definir um valor específico de U para um estado de referência e dessa forma
encontrar a energia em qualquer outro estado. A primeira lei da termodinâmica nos diz
que a energia interna do sistema (por exemplo, um gás ideal) é relacionada ao trabalho
realizado sobre o ambiente e ao calor transferido ao sistema.
U1  U 2  Q1 2  W1 2 (26)
onde W1->2 é o trabalho realizado pelo gás sobre o ambiente ao irmos do estado 1 para o
estado 2, e Q1->2 é o fluxo de calor para o sistema neste processo. Note que:
Se o gás realizar trabalho sobre o ambiente, ele perde energia. Isto faz sentido, já
que a energia necessária para realizar o trabalho sobre o ambiente se origina do
próprio gás;
Se adicionarmos uma quantidade Q de calor ao gás, sua energia interna
aumenta deste mesmo valor;

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Podemos quantificar as afirmações acima sobre transferência de calor e trabalho
realizado em sistemas térmicos, combinando-os em uma expressão, a primeira lei da
termodinâmica, escrita na forma diferencial.
dU  dQ  dW (27)
Quando fornecemos a um gás uma quantidade de calor Q esse calor pode ser
usado de dois modos: Uma parte pode ser usada para realizar um trabalho e a outra parte
pode se transformar em energia interna do gás. A Eq. 27 traduz a Primeira Lei da
Termodinâmica em termos infinitesimais. Ao usarmos a eq. 26 ou 27 devemos usar a
convenção:
Gás recebe calor: Q>0 (sinal positivo);
Gás perde calor: Q<0 (sinal negativo);
Gás aumenta de volume: W>0 (realiza trabalho contra o meio, sinal positivo);
Gás diminui de volume: W<0 (recebe trabalho do meio, sinal negativo);
Anotações de aula

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Exercícios
1º. Um gás ideal tem inicialmente uma energia interna Ui = 180J. O gás recebe uma
quantidade de calor Q = 80J e sofre uma expansão de modo que no final sua energia
interna passa para Uf = 240J. Calcule:
a) a variação da energia interna do gás.
b) o trabalho realizado pelo gás.
2º. Um gás que está em um recipiente fechado, recebe uma quantidade de calor Q = 50J.
Calcule:
a) o trabalho realizado pelo gás.
b) a variação da energia interna do gás.
3º. Ao receber uma quantidade de calor Q = 60J um gás sofre uma expansão isotérmica.
Calcule:
a) a variação da energia interna do gás.
b) o trabalho realizado pelo gás.
4º. Um gás é comprimido de modo que o meio externo realiza sobre o gás um trabalho
de 800J. Durante o processo, o gás perde para o ambiente uma quantidade de calor de
100J. Calcule a variação de energia interna do gás.