A contabilidade da energia
Um carrinho num trilho com atrito, um gás levado por caminhos diferentes e uma máquina térmica: a conta da energia sempre fecha — e a fronteira decide o que entra nela.
Como funciona
O carrinho. Arraste o carrinho para escolher de onde ele sai e solte. A barra do livro-caixa empilha quatro colunas, cada uma calculada por conta própria a cada passo da simulação:
- cinética, ;
- potencial, — que pertence ao par carrinho + Terra, não ao carrinho sozinho;
- térmica do trilho, a soma de , a energia que o atrito dissipa;
- térmica do ar, a soma de , a energia que o arrasto deixa no ar.
A linha verde é o total do começo. Ninguém obriga as quatro colunas a somar isso: a soma é conferida, e o teste da simulação exige que ela não se afaste do total mais que uma parte em dez mil, mesmo com atrito e ar. O trilho fica laranja onde o atrito trabalhou, e esse calor se espalha devagar para os lados — a energia continua toda lá, só que cada vez mais espalhada.
A fronteira. Troque o sistema e veja a mesma física responder de três jeitos:
| Fronteira | O que fica dentro | O que atravessa | O total de dentro… |
|---|---|---|---|
| Só o carrinho | cinética | o trabalho do peso (entra descendo, sai subindo) e o calor | sobe e desce |
| Carrinho + Terra | cinética + potencial | só o calor | só diminui |
| Tudo | as quatro colunas | nada | não muda nunca |
Calor e trabalho. Arraste o estado B. Os três caminhos de A até B chegam ao mesmo lugar, com a mesma variação de energia interna — mas cada um troca uma quantidade diferente de calor e de trabalho. A área sob o caminho é o trabalho . Com pressão em kPa e volume em litros, a área sai direto em joules.
A máquina térmica. Por ciclo, 1000 J entram da fonte quente. Peça qualquer rendimento: a primeira lei sempre fecha, porque o que não vira trabalho sai para a fonte fria. Mas a entropia das fontes muda de , e acima do rendimento de Carnot, , ela diminuiria. É isso que a segunda lei proíbe.