Termodinamica

INTRODUÇÃO

A termodinâmica é o ramo da Física que estuda as relações entre o calor (energia térmica em trânsito, que ocorre em função da diferença de temperatura entre os corpos) e o trabalho realizado (energia), sob a presença de um corpo ou sistema e o meio exterior. É através das variações de temperatura, pressão e volume que a Física busca compreender o comportamento e as transformações que ocorrem na natureza. Sua origem baseia-se na invenção e no aperfeiçoamento da máquina térmica.

O calor e o trabalho são formas equivalentes de mudar a energia de um sistema. A energia total de um sistema é constante. A variação de entalpia que acompanha um processo é igual ao calor liberado sob pressão constante.

A termodinâmica é essencial para a química. Ela explica por que as reações ocorrem e permite a predição do calor que elas liberam e o trabalho que podem executar. A termodinâmica tem um papel importante em todos os aspectos de nossa vida. Assim, o calor liberado na queima de combustíveis é usado para comparar o valor do combustível. Da mesma forma, a energia liberada pelos alimentos industrializados é registrada nos rótulos.

Na termodinâmica temos a lei zero , a primeira lei, a segunda e a terceira.

HISTÓRIA

Na antiguidade, com o descobrimento do átomo, o calor foi considerado como sendo resultado do movimento interno dos corpos. No século 16, Fahrenheit apresenta o termômetro e sua escala. Anders Celsius adaptou essa teoria, estabelecendo os limites de sua escala: os pontos de ebulição (100ºC) e de congelamento da água (0ºC). A temperatura é, provavelmente, o primeiro conceito termodinâmico. No final do século 16, Galileu inventou o termômetro rudimentar, com o objetivo de medir uma quantidade, até então indefinida, que expressasse as sensações fisiológicas de calor e frio.

Em 1765, James Watt inventa a primeira máquina a vapor moderna, dando origem à Primeira Lei da Termodinâmica que traduz a conservação da energia: “Num sistema isolado, a energia interna permanece constante, dada pela diferença entre o calor trocado e o trabalho realizado na transformação.” Por condução, o calor se transfere de um corpo para outro em consequência de choques moleculares. Quanto maior a temperatura, maiores as velocidades moleculares e mais frequentes os choques, ocorrendo, então, transferência de energia cinética para as moléculas de menor velocidade e, portanto, menor temperatura.

As transformações podem ser isobáricas, quando a pressão é constante, variando volume e temperatura; isotérmica, quando a temperatura é constante, variando pressão e volume; isocórica ou isovolumétrica, quando o volume é constante, variando pressão e temperatura; e adiabática, quando não há troca de calor com o meio externo, seja porque o corpo esteja termicamente isolado ou porque o processo ocorre de forma tão rápida, fazendo com que o calor trocado seja desprezível.

A Segunda Lei da Termodinâmica, comprovada pelo físico francês Sadi Carnot, enuncia que “Para que um sistema realize conversões de calor em trabalho, ele deve realizar ciclos entre uma fonte quente e fria, isso de forma contínua. A cada ciclo, é retirada uma quantidade de calor da fonte quente, que é parcialmente convertida em trabalho, e a quantidade de calor restante é rejeitada para a fonte fria”.

O conceito de temperatura entra na termodinâmica como uma quantidade matemática, relacionando calor e entropia. A interação entre essas três quantidades é descrita pela Terceira Lei da Termodinâmica, segundo a qual é impossível reduzir qualquer sistema à temperatura do zero absoluto mediante um número finito de operações. De acordo com esse princípio, também conhecido como teorema de Nernst, a entropia de todos os corpos tende a zero quando a temperatura tende ao zero absoluto. Pode-se entender como entropia o "grau de desordem" de um sistema termodinâmico, mensurando a parcela de energia que não pode ser transformada em trabalho em transformações termodinâmicas.

As aplicações da Termodinâmica tornaram-se evidentes durante a Revolução Industrial, promovendo um grande impulso na industrialização por todo o mundo, com a utilização das máquinas térmicas. Atualmente, essa ciência estuda meios de aproveitamento da energia da melhor forma possível, desde as inovações nos motores até a criação de novos condutores.

– Trabalho e Energia

A propriedade mais fundamental da termodinâmica é o trabalho, isto é, o movimento contra uma força oposta. Realiza-se trabalho quando um peso é levantado contra a força da gravidade. A reação química em uma bateria realiza trabalho quando empurra uma corrente elétrica em um circuito. O gás em um cilindro, a mistura de gases quentes de um motor de automóvel, por exemplo, realiza trabalho ao empurrar o pistão. Podemos identificar um processo que realiza trabalho observando se, pelo menos em princípio, ele é capaz de levantar um peso. A expansão de um gás, por exemplo, pode ser usada para levantar um peso, porque o pistão pode estar ligado ao peso. A corrente elétrica produzida pela bateria pode ser usada para levantar um peso se o circuito inclui um motor elétrico.

O trabalho necessário para mover um objeto até uma certa distância, contra uma força que se opõe, é calculado multiplicando-se a força pela distância:

Trabalho = força x distância

A unidade de trabalho e, portanto, de energia, que usamos é o joule, J ,com

1 J = 1 kg.m². s¯²

A energia interna de um sistema pode ser alterada pela realização de trabalho:

ΔU = w.

– Calor

É energia térmica em trânsito, que ocorre em razão das diferenças de temperatura existentes entre os corpos ou sistemas envolvidos.

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.

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