De acordo com o primeiro princípio da termodinâmica , durante qualquer transformação, há conservação de energia .
No caso de sistemas termodinâmicos fechados, é estabelecido da seguinte forma:
“Durante qualquer transformação de um sistema fechado , a variação de sua energia é igual à quantidade de energia trocada com o ambiente externo, por transferência térmica (calor) e transferência mecânica ( trabalho ). "
Para qualquer sistema termodinâmico , podemos definir, até uma constante, uma função U , chamada energia interna , e possuindo as seguintes propriedades:
A variação de U durante uma transformação infinitesimal de um sistema fechado (de composição fixa) verifica:
dEvs+dEp+dvocê=δC+δQ{\ displaystyle \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {c}} + \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {p}} + \ mathrm {d} U = \ delta W + \ delta Q}com:
Ao contrário das energias potenciais e internas, trabalho e calor não são variações das funções de estado . Seus valores durante uma transformação dependem da maneira como se procede para realizar a transformação e não apenas dos estados inicial e final.
O avanço fundamental do primeiro princípio da termodinâmica para a física consiste na introdução da energia interna . Essa energia é responsável pela agitação interna do sistema no nível atômico. Como toda energia, é definida até uma constante.
A dificuldade de explicar o estado microscópico da matéria muitas vezes torna impossível calcular na prática; graças à equação do primeiro princípio da termodinâmica, por outro lado é possível calcular suas variações.
TrabalhoO trabalho é uma transferência ordenada de energia entre um sistema e o ambiente externo. Existem vários tipos de transferência ordenada de energia: podemos citar por exemplo o trabalho das forças de pressão, o trabalho de uma bomba, o trabalho elétrico fornecido durante uma reação eletroquímica em uma célula ou por radiação ... Este termo inclui todos os trabalhos aplicados ao sistema resultante de uma força não conservadora. As forças conservativas estão presentes no termo de energia potencial.
O trabalho induzido pelas forças de pressão corresponde à forma mais comum de trabalho encontrada na termodinâmica clássica, é expresso na seguinte forma diferencial
O sinal de menos (-) leva em consideração o fato de que durante uma expansão, o volume aumenta (dV> 0) e neste caso o sistema fornece trabalho no ambiente externo (contado negativamente para o sistema, de acordo com a regra dos sinais ) .
Uma interpretação microscópica do trabalho pode ser realizada:
A transferência térmica, também chamada de calor , é uma transferência desordenada de energia entre o sistema e o ambiente externo.
O calor é uma transferência de agitação térmica. A agitação das partículas se propaga de acordo com os choques em todas as direções, de forma desordenada. É por isso que nunca se pode transformar totalmente a energia térmica em trabalho, ao passo que o inverso é possível (ex: trabalho elétrico transformado em calor pelo efeito Joule em um radiador elétrico). Diz-se também que o aumento da temperatura resulta na degradação da energia.
Essa transferência de calor sempre ocorre do sistema mais quente para o mais frio. Aquele cujas partículas são estatisticamente mais agitadas, transmitirá sua agitação térmica de acordo com choques mais ou menos energéticos, ao ambiente externo ou ao sistema estatisticamente menos agitado, ou seja, o mais frio. Essa observação intuitiva é formalizada pelo segundo princípio da termodinâmica .
A variação da energia de um sistema que passa por uma transformação pode ser expressa de acordo com a seguinte relação:
No caso de um sistema que troca matéria ou calor com o exterior, que é chamado de sistema aberto , o primeiro princípio da termodinâmica pode ser reescrito de uma forma que leve essas trocas em consideração. Em seguida, dividimos nosso sistema em três partes distintas:
Vamos fazer o balanço termodinâmico da água de uma banheira. O volume de controle poderia ser definido como a água presente na banheira, o volume de entrada seria a água adicionada pela torneira em um instante dt, e o volume de saída, a água que fluiria para fora dela. Da banheira (assumimos que banheira sem vazamento) pelo dreno neste mesmo instante dt.
O primeiro princípio termodinâmico em um sistema aberto é escrito:
(E(t+dt)+dms⋅es(t+dt))-(E(t)+dme⋅ee(t))=C+Q{\ displaystyle {\ Bigl (} E (t + \ mathrm {d} t) + \ mathrm {d} m _ {\ rm {s}} \ cdot e _ {\ rm {s}} (t + \ mathrm {d} t) {\ Bigr)} - {\ Bigl (} E (t) + \ mathrm {d} m _ {\ rm {e}} \ cdot e _ {\ rm {e}} (t) { \ Bigr)} = W + Q} ou :A relevância dos sinais é rapidamente verificada: se o sistema perde energia, a magnitude será negativa (transferência de energia para o ambiente externo). Isso significa que, no caso em que a energia do volume de controle não varia (caso ), a energia presente no volume de entrada no tempo t era maior do que aquela contida no volume de saída em t + dt, ou .
No caso de gases e fluidos, é útil decompor :
O primeiro princípio da termodinâmica pode então ser escrito mostrando a entalpia:
(E(t+dt)-E(t))+(dms(ems(t+dt)+hs(t+dt))-dme(eme(t)+he(t)))=Cvocê+Q{\ displaystyle {\ biggl (} E (t + \ mathrm {d} t) -E (t) {\ biggr)} + {\ biggl (} \ mathrm {d} m _ {\ rm {s} } {\ Bigl (} e _ {\ rm {ms}} (t + \ mathrm {d} t) + h _ {\ rm {s}} (t + \ mathrm {d} t) {\ Bigl)} - \ mathrm {d} m_ {\ rm {e}} {\ Bigl (} e _ {\ rm {me}} (t) + h _ {\ rm {e}} (t) {\ Bigl)} { \ biggl)} = W _ {\ rm {u}} + Q}com:
No estado estacionário, não há acúmulo de matéria ( ), nem acúmulo de energia no sistema considerado ( ). O primeiro princípio está, portanto, na forma:
(ems(t+dt)-eme(t))+(hs(t+dt)-he(t))=q+Cvocê{\ displaystyle {\ Bigl (} e _ {\ rm {ms}} (t + \ mathrm {d} t) -e _ {\ rm {me}} (t) {\ Bigl)} + {\ Bigl ( } h_ {\ rm {s}} (t + \ mathrm {d} t) -h _ {\ rm {e}} (t) {\ Bigl)} = q + w _ {\ rm {u}}} Se o fluido seria incompressível, a equação acima permanece verdadeira com as quantidades de volume. Teorema de BernoulliA lei de Bernoulli pode ser demonstrada pelo primeiro princípio da termodinâmica. As suposições sobre o fluido são as seguintes:
Ao tomar um tubo de corrente fino o suficiente para que as pressões e as velocidades de entrada e saída sejam constantes nas seções do tubo, o primeiro princípio pode se desenvolver na forma de volume, recebendo o nome de teorema de Bernoulli:
12(vs2-ve2)+Δpρ+gΔz=0{\ displaystyle {\ frac {1} {2}} (v _ {\ rm {s}} ^ {2} -v _ {\ rm {e}} ^ {2}) + {\ frac {\ Delta p } {\ rho}} + g \; \ Delta z = 0} ou :Na prática, muitas reações termodinâmicas são realizadas considerando um sistema em repouso (sem variação na energia cinética ou energia potencial). apenas a energia interna do sistema varia.
Em seguida, é possível introduzir a função de estado entalpia : . Para uma transformação isobárica , a expressão do primeiro princípio torna-se:
ΔH=Q+Cnovocêtres{\ displaystyle \ Delta H = Q + W _ {\ rm {others}}}onde corresponde ao trabalho de forças diferentes das de pressão (por exemplo, o trabalho de forças elétricas).
Em muitas reações termodinâmicas, apenas o trabalho das forças de pressão está envolvido. A expressão é então simplificada para:
ΔH=Q{\ displaystyle \ Delta H = Q}
Esta expressão simples do primeiro princípio é particularmente adequada para descrever as transformações termodinâmicas que ocorrem a pressão constante, em particular as mudanças no estado da matéria, bem como as reações químicas endotérmicas e exotérmicas .
O estatuto de princípio físico desta teoria implica que ela sempre foi verificada pela prática, mas nunca formalmente demonstrada de forma teórica. Esse ponto também é discutível, dada a demonstração subsequente em 1915 por Emmy Noether de seu teorema de mesmo nome , que expressa a equivalência entre as leis de conservação e a invariância das leis físicas. Mas esse status histórico dá margem a controvérsias por parte dos "pesquisadores alternativos" que querem provar que o primeiro princípio é falso ao tentar demonstrar a existência na prática do movimento perpétuo de primeira ordem e da energia "livre". , Às vezes referido como "supranumerário" ou mesmo "superunitário". Dentre esses pesquisadores, podemos citar Léon-Raoul Hatem, Fabrice André ou Michel J. Brady.
Suas realizações técnicas geralmente envolvem motores que transmitem seu movimento, graças a ímãs permanentes, a um eixo ou a uma série de geradores elétricos que deveriam "multiplicar a energia" recebida. Os imãs agem de fato como simples engrenagens sem contato, o que dá a ilusão de uma transmissão de movimento sem atrito e, portanto, por extensão, sem transmissão de torque mecânico. Se ignorarmos a transmissão do torque mecânico, podemos, portanto, pensar que basta conectar vários estágios de geradores a um único motor para multiplicar a energia de entrada "gratuitamente". Porém, para multiplicar a energia, seguindo a definição de potência mecânica , seria necessário:
A primeira hipótese não é verificada experimentalmente uma vez que a transmissão é síncrona, e nenhuma velocidade é “criada” entre o motor do atuador e os geradores. A segunda hipótese viola o princípio fundamental da dinâmica (equivalência de ações e reações): o motor não pode fornecer mais torque mecânico do que a soma dos torques resistivos dos geradores e, portanto, nenhum torque é "criado".
Léon-Raoul Hatem entrou com dois pedidos de patente para um “Conjunto de motor semi-magnético produzindo energia cinética adicional”, em 2001 e em 2006, o primeiro definitivamente rejeitado em 2013, o segundo caducado em 2012. As demonstrações que ele realiza envolvem um 2200 W nominal motor que alimenta 4 geradores de 2200 W nominais cada. Presumindo que a potência total de saída seja de 8.800 W, ele realmente assume que a potência real do motor e dos geradores, enquanto eles estão funcionando, é sempre igual à sua potência nominal (que ele não verifica), ou a potência produzida por um máquina síncrona ou assíncrona realmente depende da carga elétrica ou mecânica aplicada na saída. Em teoria, a carga elétrica conectada aos geradores produz uma força contra-eletromotriz nas bobinas do gerador, que resulta em um torque resistivo aplicado ao eixo do gerador, e o motor simplesmente fornece um torque reverso igual à soma dos geradores - pares resistentes de todos os geradores ( princípio fundamental da dinâmica ). Dado que o Hatem não fornece medições de potência (com wattímetros) na saída dos geradores e que apenas lhe aplica baixas cargas elétricas (projetores de halogênio) durante suas demonstrações, é impossível validar sua hipótese e as conclusões que extrai o estado da teoria termodinâmica vai além da estrutura experimental e das provas que ele fornece.
Jean-Pierre Petit , engenheiro e ex-diretor de pesquisas do CNRS, em 2014 criticou os resultados do sistema Hatem, utilizado por Fabrice André no refúgio Col de Sarenne, criticando em particular erros de interpretação física (confusão entre tensão e energia elétrica) e oferecendo-lhe uma auditoria por uma equipe científica, com wattímetros, que André não acompanhou. Em 2011, o 12/13 da France 3 Alpes dedica a Fabrice André um relatório no qual ele é apresentado como o titular de “17 patentes”, mas seu nome está ausente do banco de patentes do INPI. O refúgio do passe Sarenne foi destruído em um incêndio acidental emdezembro de 2016.
Entre 2006 e 2010, Michel J. Brady vendeu 61 motores de movimento perpétuo “Perendev” (PERpetual ENergy DEVice), baseados em ímãs permanentes, com uma potência de 100 a 300 kW, para clientes alemães, e provavelmente mais na Alemanha. Os pedidos nunca tendo sido atendidos, foi interrompido no14 de abril de 2010 por peculato na Suíça e extraditado para a Alemanha, onde cumpriu pena de prisão até outubro de 2014. A única prova de que seu sistema funciona é um vídeo do YouTube de baixa qualidade postado emFevereiro de 2003. Este é um dispositivo onde o estator e o rotor são ambos feitos de ímãs permanentes com pólos opostos. Tal dispositivo viola a lei de Lenz-Faraday uma vez que o campo magnético dos ímãs é constante, portanto seu fluxo é constante, mas a variação do fluxo magnético é necessária para criar uma força eletromotriz, portanto trabalho mecânico . Em todos os motores de indução , essa variação é forçada pela mudança da direção da corrente nos eletroímãs (bobinas). Na ausência de variação no fluxo magnético , as forças que se aplicam são estáticas e nenhum trabalho é produzido. Em teoria, portanto, um motor de ímã permanente não pode produzir trabalho e, se girar, será movido apenas por sua própria inércia (em velocidade inicial diferente de zero) e até que o atrito o pare, como em algumas demonstrações. No vídeo original de Brady, a variação no fluxo magnético pode ser causada pelo fechamento gradual do estator, que não suprime a entrada de energia externa e, portanto, não contradiz a teoria.
Protótipos de Léon-Raoul Hatem, Fabrice André e Michel J. Brady nunca foram avaliados, verificados e validados por cientistas independentes, apesar de sua cobertura na mídia, inclusive em canais de televisão públicos. Suas configurações experimentais não são acompanhadas por nenhuma explicação teórica ou qualquer modelagem física que possa explicar sua operação ou demonstrar sua validade física. Os vídeos que forneceram sempre mostram seus geradores em operação sem carga ou com carga leve, por curtos períodos de tempo, enquanto as potências de saída que anunciam são muito maiores do que as cargas eletromecânicas aplicadas durante as demonstrações. Esses inventores nunca publicaram resultados, estudos ou análises que permitissem quantificar o desempenho real de seus dispositivos (medidas experimentais de velocidade, potência de entrada e saída). No entanto, sua relativa cobertura da mídia, bem como suas promessas e ambições filantrópicas, juntamente com o desinteresse dos industriais em seu trabalho, são a fonte de muitas teorias da conspiração , em blogs e fóruns alternativos, que atribuem a não comercialização dessas "tecnologias. »Por outras causas que não a ausência de um protótipo funcional e devidamente avaliado (por exemplo: conspiração do petróleo e / ou lobbies nucleares).