1 Introdução e história da termodinâmica
A Termodinâmica é o ramo da física que estuda as relações entre calor, temperatura, trabalho e energia. Abrange o comportamento geral dos sistemas físicos em condições de equilíbrio ou próximas dele. Qualquer sistema físico, seja ele capaz ou não de trocar energia e matéria com o ambiente, tenderá a atingir um estado de equilíbrio, que pode ser descrito pela especificação de suas propriedades, como pressão, temperatura ou composição química. Se as limitações externas são alteradas (por exemplo, se o sistema passa a poder se expandir), então essas propriedades se modificam. A termodinâmica tenta descrever matematicamente essas mudanças e prever as condições de equilíbrio do sistema.
A breve história da termodinâmica começa com Guericke, que em 1650 projetou e construiu a primeira bomba de vácuo do mundo, e o primeiro vácuo artificial do mundo, através das hemisférios de Magdeburgo. Ele foi incentivado pela busca em provar a invalidade da antiga percepção de que "a natureza tem horror ao vácuo" e de que não poderia haver vazio ou vácuo, "pois no vácuo todos os corpos cairiam com a mesma velocidade" tal como descreveu em ambos os casos Aristóteles.
Logo após este evento, o físico e químico Irlandês Robert Boyle tomou ciência dos experimentos de Guericke, e em 1656, em coordenação com o cientista Inglês Robert Hooke, construiu uma bomba de ar. Usando esta bomba, Boyle e Hooke perceberam uma correlação entre pressão, temperatura e volume. Com isso foi formulada a Lei de Boyle, a qual estabelece que a pressão e o volume são inversamente proporcionais. Então, em 1679, baseado nestes conceitos, um conhecido de Boyle chamado Denis Papin construiu um forno de pressão (marmita de Papin), que era um vaso fechado com uma tampa fechada hermeticamente que confinava o vapor até alta pressão ser gerada.
Projetos posteriores incluíram uma válvula de alívio para o vapor, evitando que o recipiente explodisse devido à alta pressão. Observando o movimento rítmico da válvula de alívio para cima e para baixo, Papin concebeu a idéia de uma máquina constituída de um pistão e um cilindro. Mas Papin não seguiu adiante com a idéia. Foi somente em 1697, baseado nas idéias de Papin, que o engenheiro Thomas Savery construiu a primeira máquina a vapor. Embora nesta época as máquinas fossem brutas e ineficientes, elas atraíram a atenção dos principais cientistas da época. Um destes cientistas foi Sadi Carnot, o "pai da termodinâmica", que em 1824 publicou "Reflexões sobre a Potência Motriz do Fogo", um discurso sobre o calor, potência e eficiência de máquina. O texto trouxe as relações energéticas básicas entre a máquina de Carnot, o ciclo de Carnot e a potência motriz. Isto marcou o início da termodinâmica como ciência moderna.
2 Lei zero da termodinâmica
“Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro,
então eles estão em equilíbrio térmico entre si."
3 Primeira lei da termodinâmica
“A energia total transferida para um sistema é igual à variação da sua energia interna.”
Conhecida como lei da conservação da energia, diz que a energia não pode ser criada ou destruída. Se, em algum lugar, a energia que se apresentava sob uma forma tiver desaparecido, a mesma quantidade de energia, sob alguma forma, em algum lugar terá que existir. “As transformação de energia alteram sua distribuição, mas a energia total permanece a mesma”.
A expressão “consumo de energia” não é, pois, correta. A energia é utilizada e não consumida. Pode se falar em consumo de carvão ou de gasolina, porque esses materiais desaparecem ao serem queimados. Porém, a soma de todas as energias que surgem sob forma mecânica, térmica, eletromagnética e outras é exatamente igual à energia potencial química contida, inicialmente, no combustível, a qual sob essa forma desapareceu.
A expressão matemática que traduz esta lei para um sistema não isolado é:
Onde Q representa troca de calor, W a realização de trabalho (sendo respectivamente positivos quando o sistema recebe calor ou nele é realizado trabalho, negativos do contrário) e R a emissão ou absorção de radiação. Podemos simplificar dizendo que existe uma função (energia interna) cuja variação durante uma transformação depende unicamente de dois estados, o inicial e o final. Num sistema fechado a indicação desta variação é dada como:
Onde Q e W são, respectivamente, o calor e o trabalho trocados entre o sistema e o meio. As quantidades e são expressas algebricamente, sendo positivas quando expressam energia recebida pelo sistema. A quantidade é nula, pois, em sistema fechado, não se verificam absorções nem emissões de radiação.
A energia interna é definida como a soma das energias cinéticas e de interação de seus constituintes. Este princípio enuncia, então, a conservação de energia.
Enunciado de Clausius:
"É impossível à construção de um dispositivo que, por si só, isto
é, sem intervenção do meio exterior, consiga transferir calor
de um corpo para outro de temperatura mais elevada."
A tendência do calor a passar de um corpo mais quente para um mais frio, e nunca no sentido oposto, a menos que exteriormente comandado, é enunciada pela segunda lei da termodinâmica. Essa lei nega a existência do fenômeno espontâneo de transformação de energia térmica em energia cinética, que permitiria converter a energia do meio aquecido para a execução de um movimento (por exemplo, mover um barco com a energia resultante da conversão da água em gelo).
De acordo com essa lei da termodinâmica, num sistema fechado, a entropia nunca diminui. Isso significa que, se o sistema está inicialmente num estado de baixa entropia (organizado), tenderá espontaneamente a um estado de entropia máxima (desordem). Por exemplo, se dois blocos de metal a diferentes temperaturas são postos em contato térmico, a desigual distribuição de temperatura rapidamente dá lugar a um estado de temperatura uniforme à medida que a energia flui do bloco mais quente para o mais frio. Ao atingir esse estado, o sistema está em equilíbrio.
A entropia, que pode ser entendida como decorrente da desordem interna do sistema, é definida por meio de processos estatísticos relacionados com a probabilidade de as partículas terem determinadas características ao constituírem um sistema num dado estado. Assim, por exemplo, as moléculas e átomos que compõem 1kg de gelo, a 0o C e 1atm, apresentam características individuais distintas, mas do ponto de vista estatístico apresentam, no conjunto, características que definem a possibilidade da existência da pedra de gelo nesse estado.
A variação da função entropia pode ser determinada pela relação entre a quantidade de calor trocada e a temperatura absoluta do sistema. Assim, por exemplo, a fusão de 1kg de gelo, nas condições de 273K e 1atm, utiliza 80.000cal, o que representa um aumento de entropia do sistema, devido à fusão, em 293J/K.
A aplicação do segundo princípio a sistemas de extensões universais esbarra em dificuldades conceituais relativas à condição de seu isolamento. Entretanto, pode-se cogitar de regiões do universo tão grandes quanto se queira, isoladas das restantes. Para elas (e para as regiões complementares) valeria a lei do crescimento da entropia. Pode-se então perguntar por que motivo o universo não atingiu ainda a situação de máxima entropia, ou se atingirá essa condição um dia.
A situação de máxima entropia corresponde à chamada morte térmica do universo: toda a matéria estaria distribuída na vastidão espacial, ocupando uniformemente os estados possíveis da energia. A temperatura seria constante em toda parte e nenhuma forma de organização, das mais elementares às superiores, seria possível.
5 Terceira lei da termodinâmica
“Quando um sistema se aproxima da temperatura do zero
absoluto, todos os processos cessam, e a entropia tem como um valor mínimo.”
A terceira lei da termodinâmica foi desenvolvida por Nernst entre 1906 e 1912, e diz que, quando um sistema se aproxima da temperatura do zero absoluto, todos os processos cessam, e a entropia tem como um valor mínimo. A lei, portanto, fornece um ponto de referência para a determinação do valor da entropia. A equação proposta por Nernst é
Onde ΔS é a variação de entropia e T é a temperatura.
Nernst concluiu que é impossível atingir o zero absoluto através de um número finito de passos. Isto significa que não existe a temperatura de zero absoluto no universo em que vivemos.
em Informática no Instituto Federal do Maranhão
Equipe É Hora de FisicoQuímica
Equipe É Hora de FisicoQuímica
Fontes:
http://www.coladaweb.com/fisica/termologia/termodinamica
http://www.nre.seed.pr.gov.br/irati/arquivos/File/oficina_1_semestre_fisica_lendas_ciencia.pdf
http://sec.sbq.org.br/cdrom/34ra/resumos/T0537-1.pdf http://pt.wikipedia.org/wiki/Termodin%C3%A2mica
Gostei muito da sugestão de videoaula sobre termodinamica. Me ajudou mt :) Parabens pelo blog.
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