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.

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: calor cedido pelo sistema.
t > 0: volume do sistema aumenta.
t < 0: volume do sistema diminui.
U > 0: temperatura do sistema aumenta.
U < 0: temperatura do sistema diminui.

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: temperatura diminui se o sistema cede calor.

Transformação isobárica: Numa transformação onde a pressão permanece constante, a temperatura e o volume são diretamente proporcionais, ou seja, quando a temperatura aumenta o volume também aumenta.
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.

Leis da Termodinâmica

A lei zero da termodinâmica define uma temperatura absoluta. Define também o conceito de zero absoluto, como sendo a temperatura em que a energia cinética das moléculas de um corpo é nula. Esta energia corresponde a uma temperatura de aproximadamente -273,15ºC, ou 0K.
Outra definição está relacionada com o equilíbrio térmico: se os corpos A e B estão em equilíbrio térmico com um corpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico um com o outro, ou seja, a temperatura desses sistemas é a mesma.

A primeira lei da termodinâmica é a lei de conservação da energia aplicada aos processos térmicos. Nela observamos a equivalência entre trabalho e calor. Este princípio pode ser enunciado a partir do conceito de energia interna. Esta pode ser entendida como a energia associada aos átomos e moléculas em seus movimentos e interações internas ao sistema.
Podemos dizer que existe uma função “U” (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 é a quantidade de calor recebido pelo sistema e W o trabalho realizado. As quantidades W e Q são expressas algebricamente.
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.

Segunda Lei. enquanto a primeira lei da termodinâmica estabelece a conservação de energia em qualquer transformação, a segunda lei estabelece condições para que as transformações termodinâmicas possam ocorrer. Em relação à transferência de calor, de acordo com a segunda lei:
O calor não passa espontaneamente de um corpo de menor temperatura (frio) para um corpo de maior temperatura (quente).
A Segunda Lei da Termodinâmica afirma que a quantidade de trabalho útil que você pode obter a partir da energia do universo está constantemente diminuindo. Se você tem uma grande porção de energia em um lugar, uma alta intensidade dela, você tem uma alta temperatura aqui e uma baixa temperatura lá, então você pode obter trabalho dessa situação. Quanto menor for a diferença de temperatura, menos trabalho você pode obter. Então, de acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica, há sempre uma tendência para as áreas quentes se resfriarem e as áreas frias se aquecerem - assim cada vez menos trabalho poderá ser obtido. Até que finalmente, quando tudo estiver numa mesma temperatura, você não poderá mais obter nenhum trabalho disso, mesmo que toda a energia continue lá. E isso é verdade para TUDO em geral, em todo o universo.

Teceira Lei, podemos dizer que existe uma função “U”(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 : ΔU = Q - W onde Q é a quantidade de calor recebido pelo sistema e W o trabalho realizado. As quantidades W e Q são expressas algebricamente. 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, conhecido no entanto como Primeira Lei da Termodinâmica.
A Terceira Lei da Termodinâmica estabelece que é impossível, por meio de um número finito de etapas (ou estados) atingir a temperatura do zero absoluto (zero kelvin).