Primeira lei da termodinâmica
Considere os três processos abaixo, isolados do resto do universo.
(I) Um cubo de alumínio é colocado em um copo de água. Após algum tempo, o alumínio aumentou de tamanho e a água esfriou.
(II) Cera sólida é colocada no fundo de uma panela quente. Após algum tempo, a cera derreteu e a panela esquentou.
(III) Um motor converte em trabalho toda a energia térmica liberada pela fusão de gelo em água.
Quais destes processos violam, necessariamente, a Primeira Lei da Termodinâmica?
Passo 1
A Primeira Lei diz que a energia é conservada.
Como o sistema é isolado, todo o calor trocado entre dois corpos no sistema, pela conservação de energia, deve somar zero, pois o que um cede o outro absorve.
Vamos analisar cada um dos casos.
Caso (I):
O alumínio aumentou e a água esfriou.
Para o alumínio aumentar (dilatação térmica), é necessário haver um aumento de temperatura. Logo, o alumínio recebe calor.
Como a água esfria, há uma diminuição de temperatura. Logo, a água perde calor.
Então, a energia é conservada, nesse caso: o calor que a água perde, o alumínio recebe.
Passo 2
Caso (II):
A cera derreteu e a panela esquentou.
Para a cera derreter (mudar de fase), ela precisa receber calor, pois está passando de estado sólido para líquido.
Como a panela esquentou, ela também recebeu calor.
Nesse caso, ambos receberam calor. Mas, como o sistema é isolado, isso é impossível!
Logo, isso contraria a conservação de energia.
Passo 3
Caso (III):
Nesse caso, para o gelo se fundir e virar água, ele necessita receber energia e não libera energia.
Mas beleza, isso não violaria a primeira lei, porque supondo que isso acontecesse, haveria conservação de energia.
Observação: apesar de a Primeira Lei ser obedecida, isso contraria a Segunda Lei, pois não é possível que uma quantidade de calor seja totalmente transformada em trabalho.
Logo, o único caso que contraria a Primeira Lei é o caso (II).
Resposta
Caso (II).