Vamos escolher, como sistema termodinâmico, uma dada massa de gás perfeito aprisionada em cilindro dotado de êmbolo. Suponhamos que o êmbolo é livre, isto é, pode deslocar-se para cima ou para baixo sem nenhum atrito.

Há troca de trabalho (energia mecânica ) entre o gás e o meio toda vez que ocorre variação de volume do gás. Para esse trabalho, vamos estabelecer a seguinte convenção de sinais:

A: O Gás se expande:

B: O Gás é comprimido

C: O volume do Gás não varia:

TRABALHO E CALOR TROCADOS ENTRE O GÁS E O MEIO

A: O Gás se expande:Nesse caso, em que o volume aumenta, diz-se que o gás realizou trabalho sobre o meio. Convenciona-se que esse trabalho é POSITIVO.

Se o volume do gás aumenta, o gás realiza trabalho.

B: O Gás é comprimido Nesse caso, em que o volume do gás diminui, diz-se que o meio ambiente realizou trabalho sobre o gás ou que o gás recebeu trabalho do meio. Convenciona-se que esse trabalho é NEGATIVO.

Se o volume do gás diminui, o gás recebe trabalho

C: O volume do Gás não varia:A realização de trabalho está intimamente ligada à variação de volume. Então, se ocorre um processo termodinâmico em que o gás não sofre nem compressão nem expansão, isto é, o volume permanece constante, não há realização de trabalho.

Se o volume do gás permanece constante, o gás não troca trabalho com o meio

Quanto às trocas de calor entre o gás e o meio ambiente, vamos retomar as convenções anteriormente. A quantidade de calor é positiva quando recebida pelo gás e negativa quando perdida pelo gás.

A quantidade de calor que o gás recebe do meio é positiva

A quantidade de calor que gás perde para o meio é negativa

A ENERGIA INTERNA DE UM GÁS IDEAL

A energia interna U de um gás ideal é constituída pela energia cinética total de transformação de todas as moléculas que constituem o gás. Assim, quando maior o numero de moléculas do gás e quanto maior a velocidade delas, maior será, também, a energia interna do gás. Portanto, a energia interna U depende da quantidade de gás e de sua temperatura. Sendo o (n) numero de mols do gás, suposto ideal e monoatômico, e T sua temperatura absoluta, pode-se deduzir, a parti das leis da Mecânica Clássica e da equação de Clapeyron, que:

Como regra geral, na Termodinâmica, a conversão de energia térmica em energia mecânica é realizada usando-se uma quantidade constante de gás. Depreende-se daí uma conclusão muito importante, conhecida como lei de joule pata os gases perfeitos:

A energia interna de um dado numero de mols de gás ideal é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta

Nos processos termodinâmicos sofridos por um gás, é mais comum nos referirmos à variação de energia interna (∆U) ,em vez de à energia interna dos estados envolvidos. Então, sendo ∆T a variação de temperatura do gás no processo, sua variação de energia interna será expressa por: