A Primeira Lei da Termodinâmica, denominada de princípio de conservação de energia, oferece uma base sólida para o estudo das relações entre as diversas formas de energia e interação de energia. Ela enuncia que energia não pode ser criada nem destruída durante um processo, a energia pode apenas mudar de forma, cada forma de energia deve ser contabilizada durante um processo.
O princípio da conservação da energia pode ser descrito da seguinte forma: a variação líquida (aumento ou diminuição) da energia total do sistema durante um processo é igual à diferença entre a energia total que entra e a energia total que sai do sistema durante esse processo. Dessa forma, temos:
A energia é uma propriedade, o valor de uma propriedade não varia, a menos que o estado do sistema mude. Dessa maneira, a variação da energia de um sistema é zero se o estado do sistema não mudar durante o processo. A energia pode existir em inúmeras formas como: interna; cinética, potencial, elétrica e magnética. A soma dessas formas de energia constitui a energia total de um sistema. De modo geral, a variação da energia total de um sistema durante um processo é a soma das variações das energias interna, cinética e potencial desse sistema. Logo:
A energia pode ser transferida para ou de um sistema de três formas: calor, trabalho ou fluxo de massa. Logo, a energia total de um sistema só varia se houver fluxo de massa pelo sistema, realização de trabalho sobre ou pelo sistema e transferência de calor do ou para o sistema. Na questão em voga, são enunciados processos em que a transferência de energia interna se dá somente por meio de calor ou realização de trabalho, não há menção a outras formas de energia a exemplo a cinética e potencial. Dessa forma, temos que o sistema em questão varia a energia interna somente pela transferência de calor ou realização de trabalho, assim:
- W + Q = ∆U
Onde
W = trabalho;
Q = calor;
∆U = variação da energia interna.
Vale ressaltar que os sinais de W e Q podem ser positivos, indicando que o calor está sendo fornecido ao sistema e que trabalho está sendo realizado sobre o sistema, ou negativos, indicando que calor está sendo fornecido pelo sistema e que o sistema realiza trabalho.
Observe que, em se tratando de uma integral cíclica, os estados inicial e final são idênticos, portanto, a diferença entre a energia interna no estado final para o estado inicial é nula. A equação se reduz a:
- W + Q = 0
Concluímos, com isso, que o Trabalho será proporcional ao Calor. O que faz muito sentido, visto que, de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica, energia não pode ser destruída, assim, se calor é fornecido a um sistema, em um ciclo completo, a energia interna sai de um valor e retorna para este mesmo valor, sua variação é zero, logo esse calor fornecido deve ser proporcional ao trabalho realizado.
A alternativa (A) é, portanto, a correta.
As alternativas (B), (C) e (D) estão incorretas porque em um ciclo completo os estados inicial e final são exatamente os mesmos, ou seja, não há variação de energia interna nem de energia cinética. Pode-se citar, ainda, que a questão cita no enunciado sistemas nos quais a energia interna é trocada com o meio externo na forma de trabalho e calor, ela não cita a forma de energia cinética. Outro ponto a ser frisado é que, durante um ciclo completo, a energia interna pode sim sofrer modificação, no entanto, quando retorna ao ponto inicial seu valor se iguala ao valor de início, sendo essa variação total igual a zero.
Somente pra exemplificar a teoria exposta na resolução dessa questão, colocamos a figura a seguir, em que é possível notar que considerando um ciclo com variação total de energia nula, o Calor líquido é igual ao trabalho líquido realizado.
Resposta: A