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Termodinâmica

Termodinâmica

Termodinâmica é o ramo da física estudos clássicos e descreve as transformações termodinâmicas induzidas por calor e trabalho em um sistema termodinâmico, como um resultado de processos que envolvam alterações nas variáveis de estado de temperatura e energia.

A termodinâmica clássica é baseada no conceito de sistema macroscópico, isto é, uma porção de massa física ou conceitualmente separada do ambiente externo, o que é frequentemente assumido por conveniência que não é perturbada pela troca de energia com o sistema. O estado de um sistema macroscópico que está em condições de equilíbrio é especificado por quantidades chamadas variáveis termodinâmicas ou funções de estado, como temperatura, pressão, volume e composição química. As principais notações da termodinâmica química foram estabelecidas pela união internacional da química pura e aplicada.

No entanto, há um ramo da termodinâmica, chamado termodinâmica do não-equilíbrio, que estuda os processos termodinâmicos caracterizados pela incapacidade de alcançar condições estáveis de equilíbrio.

Leis da termodinâmica

Os princípios da termodinâmica foram enunciados durante o século XIX e regulam as transformações termodinâmicas, seu progresso, seus limites. São axiomas reais, não comprovados e não comprováveis, baseados na experiência, sobre os quais se baseia toda a teoria da termodinâmica.

Podemos distinguir três princípios básicos, mais um princípio "zero" que define a temperatura e que está implícito nos outros três.

Lei zero da termodinâmica

Quando dois sistemas em interação estão em equilíbrio térmico, eles compartilham algumas propriedades, que podem ser medidas, o que lhes confere um valor numérico preciso. Como resultado, quando dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles estão em equilíbrio um com o outro e a propriedade compartilhada é a temperatura. O princípio zero da termodinâmica diz simplesmente que, se um corpo "A" está em equilíbrio térmico com um corpo "B" e "B" está em equilíbrio térmico com um corpo "C", então "A" e "C" são em equilíbrio equilíbrio térmico entre eles.

Esse princípio explica o fato de que dois corpos a diferentes temperaturas, entre os quais o calor é trocado (mesmo que este conceito não esteja presente no princípio zero) acabam alcançando a mesma temperatura.

Na formulação princípio nula cinética da termodinâmica é uma tendência para atingir um 'energia cinética comum média dos átomos e moléculas dos corpos entre os quais transporta a troca de calor: em média, como um resultado de colisões das partículas do corpo mais quente, em média, mais rápido, com as partículas do corpo mais frias, em média mais lentas, haverá energia indo do primeiro para o segundo, tendendo a temperaturas iguais. A eficiência da troca de energia determina os calores específicos dos elementos envolvidos.

Primeira lei da termodinâmica

Quando um corpo é colocado em contato com um corpo relativamente mais frio, ocorre uma transformação que leva a um estado de equilíbrio no qual as temperaturas dos dois corpos são iguais. Para explicar esse fenômeno, os cientistas do século XVIII assumiram que uma substância, presente em maior quantidade no corpo mais quente, passava para o corpo mais frio.

Essa substância hipotética, chamada calórica, era considerada como um fluido capaz de se mover através da massa indevidamente chamada matéria. O primeiro princípio da termodinâmica identifica o calor como uma forma de energia que pode ser convertida em trabalho mecânico e armazenada, mas isso não é uma substância material. Foi demonstrado experimentalmente que o calor, originalmente medido em calorias e trabalho ou energia, medido em joules, é na verdade equivalente. Cada caloria é equivalente a aproximadamente 4.186 joules.

O primeiro princípio é, portanto, um princípio de conservação de energia. Em cada máquina térmica ou um motor térmico, uma certa quantidade de energia é transformada em trabalho: não pode haver máquina que produza trabalho sem consumir energia. Uma máquina similar, se existisse, produziria de fato o chamado movimento perpétuo da primeira espécie.

O primeiro princípio é tradicionalmente estabelecido como:

A variação da energia interna de um sistema termodinâmico fechado é igual à diferença entre o calor fornecido ao sistema e o trabalho realizado pelo sistema no ambiente.

A formulação matemática correspondente é expressa como:

& Delta; U = Q - L

onde U é a energia interna do sistema, Q o calor fornecido ao sistema e L o trabalho feito pelo sistema.

Energia interna significa a soma das energias cinéticas e a interação das diferentes partículas de um sistema. Q é a troca de calor entre o ambiente e o sistema (positivo se fornecido ao sistema, se negativo transferidos pelo sistema) e L o trabalho (positivo se o sistema é realizada na atmosfera, negativo se o ambiente o sistema). A convenção de sinal é influenciada pela ligação ao estudo de motores térmicos, em que o calor é transformada (parcialmente) em obra.

As formulações alternativas e equivalentes do primeiro princípio são:

  • Para um sistema aberto, qw = E, onde E se destina à variação da energia total, que não é mais do que a soma das mudanças na energia interna, a energia cinética e a energia potencial que esse sistema possui. Vemos que, para um sistema fechado, as variações de energia cinética e potencial são zero e, portanto, nos referimos à relação anterior.
  • Para um ciclo termodinâmico, q = w, já que a variação total de energia é zero, o sistema que tem, ao final de cada ciclo, novamente nas mesmas condições de partida.

Segunda lei da termodinâmica

Existem várias demonstrações segundo princípio, todos equivalente, e cada uma das formulações enfatiza um aspecto particular. Ele afirma que "é impossível realizar um cycler cujo único resultar na transferência de calor a partir de um local frio para um corpo quente" (declaração Clausius) ou, equivalentemente, "é impossível executar uma transformação que resulta unicamente o de converter calor extraído de uma única fonte em trabalho mecânico "(declaração de Kelvin).

Esta última limitação nega a possibilidade de realizar o chamado movimento perpétuo da segunda espécie. A entropia do total de um sistema isolado permanece inalterada quando ocorre uma transformação reversível e aumenta quando ocorre uma transformação irreversível.

Terceira lei da termodinâmica

Está intimamente relacionado com este último e, em alguns casos, é considerado uma consequência deste último. Pode-se dizer que "é impossível atingir o zero absoluto com um número finito de transformações" e fornece uma definição precisa da magnitude chamada entropia.

Afirma também que a entropia para um sólido perfeitamente cristalino, a uma temperatura de 0 kelvin é igual a 0. É fácil explicar essa afirmação através da termodinâmica molecular: um sólido perfeitamente cristalino é composto de um único complexo (todos são formas para organizar as moléculas, se as moléculas são todas iguais, independentemente da forma como são arranjadas, macroscopicamente o cristal é sempre o mesmo) e, sendo a 0 kelvin, a energia de vibração, translação e rotação das partículas que é composto de nada, portanto, da lei de Boltzmann S = k ln (1) = 0 onde 1 são os complexos (neste caso apenas um).

História da Termodinâmica

Foi Sadi Carnot, em 1824, o primeiro a demonstrar que o trabalho pode ser obtido a partir da troca de calor entre duas fontes a diferentes temperaturas. Através do teorema de Carnot e da máquina ideal de Carnot (baseado no ciclo de Carnot) ele quantificou este trabalho e introduziu o conceito de eficiência termodinâmica.

Em 1848, Lord Kelvin, usando a máquina Carnot, introduziu o conceito de temperatura termodinâmica efetiva e é responsável por uma afirmação do segundo princípio da termodinâmica.

Em 1850, James Prescott Joule demonstrou a igualdade das duas formas de energia (então acreditava-se que o líquido calórico ainda existia).

Tendo chegado a isto, surgiu o problema de que, se fosse possível obter o calor total da obra, não teria sido possível obter o inverso. Este resultado também levou Clausius que em 1855 apresentou sua desigualdade para reconhecer processos reversíveis da função irreversível e estatal da entropia.

Em 1876, Willard Gibbs publicou o tratado "Sobre o equilíbrio de substâncias heterogêneas" (Sobre o equilíbrio de substâncias heterogêneas) que mostrou como um processo termodinâmico poderia ser representado graficamente e como estudar dessa forma energia, entropia, volume, temperatura e a pressão poderia prever a eventual espontaneidade do processo considerado.

O caso da termodinâmica é emblemático na história e na 'epistemologia da ciência: é um daqueles casos em que a prática foi pioneira na própria teoria: a primeira é projetada para a máquina a vapor, abaixo , seu funcionamento teórico foi sistematizado através de seus princípios básicos.

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Última revisão: 26 de abril de 2018

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