Termodinâmica

A Termodinâmica é a parte da Termologia (Física) que estuda os fenômenos relacionados com trabalho, energia, calor e entropia, e as leis que governam os processos de conversão de energia. Apesar de todos nós termos um sentimento do que é energia, é muito difícil elaborar uma definição precisa para ela. Na verdade a Física aceita a energia como conceito primitivo, sem definição, ou seja, apenas caracterizando-a.
É bastante conhecido o fato de que uma substância é constituída de um conjunto de partículas denominadas de moléculas. As propriedades de uma substância dependem, naturalmente, do comportamento destas partículas.
A partir de uma visão macroscópica para o estudo do sistema, que não requer o conhecimento do comportamento individual destas partículas, desenvolveu-se a chamada termodinâmica clássica. Ela permite abordar de uma maneira fácil e direta a solução de nossos problemas. Uma abordagem mais elaborada, baseada no comportamento médio de grandes grupos de partículas, é chamada de termodinâmica estatística.

Processos

Sempre que uma ou mais propriedades de um sistema varia, diz-se que ocorreu uma mudança de estado. O caminho através de sucessivos estados pelo qual passa o sistema é definido como processo. Um processo de quase-equilíbrio (quasi-estático) é aquele em que o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal, e todos os estados pelo qual o sistema passa pode ser considerado como estados de equilíbrio. Muitos processos reais podem ser aproximados com precisão pelo processo de quase-equilíbrio.

Princípios da Termodinâmica

De acordo com o princípio da Conservação da Energia, a energia não pode ser criada nem destruída, mas somente transformada de uma espécie em outra. O primeiro princípio da Termodinâmica estabelece uma equivalência entre o trabalho e o calor trocados entre um sistema e seu meio exterior.
Consideremos um sistema recebendo uma certa quantidade de calor Q. Parte desse calor foi utilizado para realizar um trabalho t e o restante provocou um aumento na sua energia interna U.
A expressão U = Q - t
Representa analíticamente o primeiro princípio da termodinâmica cujo enunciado pode ser:
A variação da energia interna de um sistema é igual à diferença entre o calor e o trabalho trocados pelo sistema com o meio exterior.
Para a aplicação do primeiro princípio de Termodinâmica devem-se respeitar as seguintes convenções:
Q > 0: calor recebido pelo sistema.
Q <> 0: volume do sistema aumenta.
t <> 0: temperatura do sistema aumenta.
U <>

Transformações termodinâmicas particulares

Transformação isotérmica: Como a temperatura do sistema se mantém constante, a variação da energia interna é nula.
Por exemplo, considere um gás sofrendo uma expansão isotérmica conforme mostra as figuras.
A quantidade de calor que o gás recebe é exatamente igual ao trabalho por ele realizado. A área sombreada sob a curva é numericamente igual ao trabalho realizado.
Transformação isométrica: como o volume do sistema se mantém constante, não há realização de trabalho.
Todo o calor trocado com o meio externo é transformado em variação da energia interna.
Se o sistema recebe calor:
Q > 0 ==> U > 0: temperatura aumenta se o sistema recebe calor.
Q > 0 ==> U <> 0 Þ temperatura aumenta.
T < 0 ="="> volume aumenta
Parte do calor que o sistema troca com o meio externo está relacionado com o trabalho realizado e o restante com a variação da energia interna do sistema.
Transformação adiabática: Nessa transformação, o sistema não troca calor com o meio externo; o trabalho realizado é graças à variação de energia interna.
Numa expansão adiabática, o sistema realiza trabalho sobre o meio e a energia interna diminui.
Expansão adiabática ocorre um abaixamento de temperatura.
Durante a compressão adiabática, o meio realiza trabalho sobre o sistema e a energia interna aumenta.
Ocorre uma elevação de temperatura.
Transformação Cíclica
Denomina-se transformação cíclica ou cilo de um sistema o conjunto de transformações sofridas pelo sistema de tal forma que seus estados final e inicial são iguais.
Como a temperatura final é igual à temperatura inicial, a energia interna do sistema não varia, havendo uma igualdade entre o calor e o trabalho trocados em cada ciclo.
Num diagrama p x V uma transformação cíclica é representada por uma curva fechada. A área interna do ciclo é numericamente igual ao trabalho total trocado com o meio exterior.
Quando o ciclo é percorrido no sentido horário, o sistema recebe calor e realiza trabalho; e no sentido anti-horário o sistema cede calor e recebe trabalho.