Termidinamica

Introdução

Termodinâmica é a ciência que estuda as transformações de energia nas quais as variações de temperatura são importantes. A maioria das transformações químicas resulta em alterações nas temperaturas e, portanto os químicos sempre estiveram envolvidos no desenvolvimento da Termodinâmica como ciência. Vamos neste texto mergulhar no mundo das diversas formas de energia tais como cinética, potencial, térmica, mecânica, elétrica e ver como os conceitos e princípios da Termodinâmica foram sendo desenvolvidos, ao longo dos séculos, por grandes cientistas que não só perceberam a natureza, mas também procuraram atender a diversas necessidades da humanidade. A Termodinâmica é essencialmente uma ciência experimental que só recebeu um formalismo teórico muito tempo depois. O foco da presente exposição é a Primeira Lei da Termodinâmica, que trata da conservação da energia.

Das mais variadas transformações de energia, talvez a que mais fascinava os cientistas em meados do século XIX era a possibilidade de converter calor em movimento através das Máquinas Térmicas. A base do funcionamento das máquinas térmicas é simples: quando se aquece um gás, ele expande. Possivelmente a primeira máquina térmica que se tem notícia foi uma máquina a vapor desenvolvida por Herón de Alexandria, por volta do ano 50 d.C. Herón descobriu que ar se expandia no aquecimento e poderia ser usado para produzir uma força mecânica e com isto, acionar diversos mecanismos (ele conseguia abrir portas de templos “misteriosamente” a partir de fornos colocados nos altares. Os trabalhos de Herón foram perdidos e só por volta de 1600, Giovanni della Porta os recuperou com grande sucesso (mas mediante de ar por vapor). Leonardo da Vinci foi outro que usou vapor de água para produzir movimentos. Vários inventos importantes de da Vinci não foram executados por falta de equipamentos mecânicos capazes de produzir trabalho. Afinal, a capacidade de trabalho de homens ou animais é bastante limitada, lenta e irregular. Algo mais sistemático era necessário. A invenção da pólvora pelos chineses foi absorvida e transformada em fonte de potência de armamentos pelos europeus. Uma arma é, essencialmente, um motor que converte a força expansiva de uma explosão em movimento mecânico (da bala). Devido às inerentes dificuldades do aproveitamento deste movimento, a pólvora não foi usada, apesar de idéias de cientistas como Christiaan Huygens no século XVII.

Por volta do ano de 1700, Thomas Savery produziu, com base nas propriedades do vapor d’água, uma bomba para retirar a água das minas de carvão da Inglaterra, minimizando um dos grandes problemas da época. O equipamento de Savery não era, rigorosamente falando, um motor, pois não possuía partes móveis. Esse mérito teve o equipamento desenvolvido por Thomas Newcomen em 1705, no qual já se observa a existência de um pistão móvel. Foi um grande sucesso comercial, embora as válvulas devessem ser abertas e fechadas manualmente o tempo todo. Em 1763, o escocês James Watt, um brilhante engenheiro, recebeu uma dessas máquinas para conserto e percebeu que havia um grande desperdício de vapor (que custava dinheiro para ser produzido). Watt, trabalhando na Universidade de Glasgow, teve a oportunidade de conhecer um cientista famoso, Joseph Black , que o ajudou a entender as propriedades do vapor dágua. Os dois fizeram inúmeras alterações nos projetos anteriores produzindo assim máquinas melhores, que foram usadas para acionar moinhos, movimentar trens, teares (máquinas têxteis), além, é claro, de bombear água. O sucesso da primeira Revolução Industrial na Grã-Bretanha se deve, em grande parte, ao uso dessas máquinas térmicas a vapor.

A busca pelo aperfeiçoamento das máquinas térmicas levou o cientista francês Sadi Carnot (1796-1832) a desenvolver em 1824 toda uma teoria para explicar o rendimento, ou seja, o quanto de calor a máquina transformava em trabalho. Foi um momento histórico. Antes disso, as tentativas de melhorar o rendimento das máquinas eram na base da tentativa e do erro. O trabalho de Carnot teve como fundamento o método científico. A partir das suas observações e nas de outros cientistas, Carnot criou um modelo teórico para as máquinas térmicas e descobriu qual deveria ser a maneira mais eficiente de transformar calor em movimento, e deu certo. A prática confirmou a teoria.

PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA

A primeira lei da termodinâmica é uma versão da lei de conservação da energia. Também conhecido como Princípio de Joule, este postulado admite que diversas formas de trabalho podem ser convertidas umas nas outras, elucidando que a energia total transferida para um sistema é igual à variação de sua energia interna, ou seja, em todo processo natural, a energia do universo se conserva sendo que a energia do sistema quando isolado é constante. Observa-se também a equivalência entre trabalho e calor, onde constatou-se que a variação Q - W é a mesma para todos os processos termodinâmicos.

A primeira declaração explícita da primeira lei da termodinâmica, dada por Rudolf Clausius em 1850, refere-se a processos termodinâmicos cíclicos. Sempre que o trabalho for produzido pelo órgão gerador de calor, certa quantidade desta energia é consumida, que é proporcional ao trabalho realizado; por outro lado, por o gasto de uma quantidade igual de trabalho a mesma quantidade de calor é produzida.

Clausius descreveu a primeira lei de outra forma, referindo-se a existência de uma função do estado do sistema chamada energia interna (U), expressa em termos de uma equação diferencial para os estados de um processo termodinâmico. Esta equação pode ser traduzido em palavras como se segue:

"Em um processo termodinâmico fechado, a alteração da energia interna do sistema é igual à diferença entre o alteração do calor acumulado pelo sistema e da alteração do trabalho realizado".

A energia interna é a soma das energias cinética e potencial de todas as partículas que constituem este sistema. Por esta razão, é considerada uma propriedade do sistema, depende somente do estado inicial e estado final do processo. Ainda, quanto maior a taxa de calor que está sendo transferida a determinado sistema, maior será sua energia interna. Assim, temos:

, quando o sistema recebe calor

, quando o sistema perde calor

Desta forma, quanto maior a energia interna de um sistema, maior será seu potencial para a realização de trabalho,