Termodinâmica

1. INTRODUÇÃO

A termodinâmica é uma ciência experimental, pois a partir da observação de alguns fenômenos físico-químicos foram elaboradas leis básicas, conhecidas como a Lei “Zero”, a Primeira, a Segunda e a Terceira Leis da Termodinâmica. Os problemas que a termodinâmica se propõe a resolver normalmente envolvem a determinação do valor do calor e/ou trabalho (formas de energia) necessários ou liberados num processo ou então as mudanças de estado de uma substância ou mistura provocadas pela transferência de calor ou pela realização de trabalho. Os cálculos termodinâmicos, contudo, não permitem a determinação da dinâmica dos processos, ou seja, a determinação de quão rápidos se estabelecem os estados finais de equilíbrio, sendo que esse assunto é o objeto de estudo da cinética e dos fenômenos de transporte.

A termodinâmica é o estudo das mudanças nas condições (estado) das substâncias puras ou de misturas a partir de alterações em sua temperatura, pressão e estado de agregação. Ela estabelece, também, os princípios fundamentais para a compreensão dos processos pelos quais as misturas podem ser separadas ou reagir entre si para a geração de calor e trabalho. Dessa forma, tornam-se possíveis a análise e projetos de sistemas geradores de potência, reatores químicos, equipamentos com equilíbrio de fase, bem como seu aperfeiçoamento visando o aumento de sua eficiência.

A termodinâmica começou a ser utilizada a muito tempo. Na revolução industrial o uso da termodinâmica proporcionou um grande impulso na industrialização mundial, hoje é muito aplicada em áreas como a indústria automotiva, refinarias de petróleo e institutos de meteorologia.

Para o estudo da termodinâmica necessitamos saber que o sistema internacional de medidas (SI), a temperatura é usada em Kelvim, porém existem outras unidades de medida da temperatura como Celsius e Fahrenheit. Mesmo não existindo um limite superior para a temperatura de um corpo existe um limite inferior tomado como zero na escala Kelvin. A partir dos conceitos acima podemos estudar as leis termodinâmicas.

Nesse trabalho sobre as Leis da Termodinâmica, veremos os conceitos sobre Calor, Energia Interna, Primeira Lei da Termodinâmica, Termoquímica, Segunda Lei da Termodinâmica, Terceira Lei da Termodinâmica e a Energia Livre de Gibbs.

2. ENERGIA INTERNA

Na termodinâmica a energia interna U de um sistema quando se soma todas as energias que o recipiente possui dentro de si. Essa energia é a responsável pela agitação de seus átomos ou moléculas. A energia interna de um sistema está diretamente associada à sua temperatura. Quando um sistema recebe uma determinada quantidade de calor, sofre um aumento de sua energia interna e consequentemente um aumento de temperatura.

Logo para um sistema onde há um aumento de temperatura, também haverá um aumento na energia interna e com isso o volume do gás que está preso dentro do recipiente também aumentará.

3. CALOR

Antigamente, o calor era entendido como sendo um fluido chamado de calórico, que fluía de uma substância quente para outra, mais fria, mais sabemos que o calórico é um mito. Na atualidade Calor é um termo comum que em termodinâmica tem um significado especial. Em termodinâmica, calor é a energia transferida em consequência de uma diferença de temperatura. A energia flui na forma de calor de uma região de temperatura alta para uma região de temperatura baixa. Portanto, em um sistema cujas paredes não são isolantes térmicos, se o sistema está mais frio do que a vizinhança, a energia flui da vizinhança para o sistema e a energia interna do sistema aumenta. Onde o fluxo acontece da maior temperatura para menor temperatura

A energia transferida para um sistema é representada como q. Portanto, quando a energia interna de um sistema se altera por transferência de energia na forma de calor, temos

∆U = q

A energia transferida na forma de calor é medida, como qualquer forma de energia, em joules, J. Porém, uma unidade de energia que ainda é muito usada em bioquímica e campos correlatos é a caloria (cal). Na definição original, 1 cal correspondia à energia necessária para elevar de 1ºC a temperatura de 1g de água. A definição moderna é

1 cal = 4,184 J (exatamente)

A caloria nutricional, Cal, corresponde a 1 quilocaloria (kcal); logo, é importante verificar que unidades estão sendo usadas quando se trata do conteúdo energético de alimentos.

O sinal de q indica se o calor entrou ou saiu do sistema. Se entra energia no sistema na forma de calor, a energia interna aumenta e q é positivo. Se energia deixa o sistema na forma de calor, a energia interna diminui e q é negativo. Q aparece somente durante a mudança de estado, e se manifesta através dos efeitos nas vizinhanças.

Qualquer energia que deixa o sistema na forma de calor, como, por exemplo, a energia liberada durante a combustão, é absorvida pela vizinhança e vice-versa. Se a energia transferida para o sistema é, por exemplo, 10 kJ, q = +10 kJ. Essa energia teve de vir da vizinhança na forma de calor; logo qVIZ= - 10 kJ. Ao medir o calor que entra ou sai da vizinhança, estamos determinando, indiretamente, o calor que sai ou entra no sistema.

O processo que libera calor para a vizinhança é chamado de processo exotérmico, já o processo que absorvem calor é chamado de processo endotérmico.

3.1 – MEDIDA DO CALOR

É possível medir a energia transferida para o sistema na forma de calor, se soubermos a capacidade calorífica do sistema, C, isto é, a razão entre o calor fornecido e o aumento de temperatura que ele provoca.

C = q

∆T

Conhecida a capacidade calorífica, pode-se medir a variação de temperatura, ∆T, do sistema e, então, calcular o calor fornecido usando a equação q= C x ∆T.

A capacidade calorífica é uma propriedade extensiva: quanto maior for a amostra, mais calor é necessário para aumentar sua temperatura e, portanto, maior sua capacidade calorífica. É comum, portanto, registrar a capacidade calorífica específica, Cs, que é a capacidade calorífica dividida pela massa da amostra (Cs = C/m) ou a capacidade calorífica molar, Cn, que é a capacidade calorífica dividida pela quantidade (em mols) da amostra (Cn = C/n).

A transferência de energia na forma de calor é medida em um calorímetro, um dispositivo no qual o calor transferido