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Termodinâmica.
Transformação de energia

Energia térmica I combustão.
Efeitos da termodinâmica

Entropia

Termodinâmica

Termodinâmica

A termodinâmica é o ramo da física que estuda os efeitos das mudanças de temperatura, pressão e volume de um sistema físico (um material, um líquido, um conjunto de corpos etc.), no nível macroscópico. A raiz "termo" significa calor e dinâmica se refere ao movimento; portanto, a termodinâmica estuda o movimento do calor no corpo. A matéria é composta de diferentes partículas que se movem de maneira desordenada. A termodinâmica estuda esse movimento confuso.

A importância prática reside principalmente na diversidade de fenômenos físicos que descreve. Conseqüentemente, o conhecimento dessa diversidade resultou em enorme produtividade tecnológica.

Estudo da termodinâmica

Os principais elementos que temos para estudar termodinâmica são:

As leis da termodinâmica. Essas leis definem a maneira pela qual a energia pode ser trocada entre sistemas físicos na forma de calor ou trabalho.

Entropia Entropia é uma magnitude que pode ser definida para qualquer sistema. Especificamente, a entropia define o distúrbio no qual as partículas internas que compõem a matéria se movem.

Entalpia A entalpia é uma função de estado do sistema físico considerado. Na verdade, a primeira lei da termodinâmica, dependendo da entalpia, assume a forma dQ = dH - Vdp, ou seja, a quantidade de calor fornecida a um sistema é usada para aumentar a entalpia e realizar trabalhos externos - Vdp.

Na termodinâmica, as interações entre vários sistemas termodinâmicos são estudadas e classificadas, levando à definição de conceitos como sistemas termodinâmicos e seu ambiente. Um sistema termodinâmico é caracterizado por suas propriedades termodinâmicas, relacionadas entre si pelas equações de estado. Eles podem ser combinados para expressar energia interna e potenciais termodinâmicos, úteis para determinar as condições de equilíbrio entre sistemas e processos espontâneos.

Com essas ferramentas, a termodinâmica descreve como os sistemas respondem às mudanças em seu ambiente.

Leis da termodinâmica

Os princípios da termodinâmica foram enunciados durante o século XIX, que regulam as transformações termodinâmicas, seu progresso, seus limites. Na verdade, são axiomas reais baseados na experiência na qual toda a teoria da termodinâmica se baseia.

Em particular, três princípios básicos podem ser distinguidos, além de um princípio "zero" que define a temperatura e está implícito nos outros três.

Princípio zero da termodinâmica

A lei zero da termodinâmica afirma que, quando dois sistemas em interação estão em equilíbrio térmico, eles compartilham algumas propriedades, que podem ser medidas fornecendo-lhes um valor numérico preciso. Consequentemente, quando dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terço, eles estão em equilíbrio um com o outro e a propriedade compartilhada é a temperatura.

Primeiro princípio termodinâmico

A primeira lei da termodinâmica afirma que, quando um corpo entra em contato com outro corpo relativamente mais frio, ocorre uma transformação que leva a um estado de equilíbrio no qual as temperaturas dos dois corpos são iguais.

O primeiro princípio é, portanto, um princípio de conservação de energia. Em cada máquina térmica, uma certa quantidade de energia é transformada em trabalho: não pode haver uma máquina que produza trabalho sem consumir energia.

Em resumo, o primeiro princípio termodinâmico é tradicionalmente afirmado 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.

Segundo princípio

Existem várias afirmações da segunda lei da termodinâmica, todas equivalentes, e cada uma das formulações enfatiza um aspecto particular. Primeiro, ele afirma que "é impossível fabricar uma máquina cíclica que tenha como único resultado a transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente" (declaração de Clausius).

Por outro lado, também pode ser afirmado, de maneira equivalente, que “é impossível realizar uma transformação cujo resultado é apenas o de converter o calor retirado de uma única fonte em trabalho mecânico” (afirmação de Kelvin).

Terceiro princípio da termodinâmica

O terceiro princípio das leis da termodinâmica está intimamente relacionado com o último e, em alguns casos, é considerado uma conseqüência do último. Nesse sentido, pode-se dizer que "é impossível alcançar o zero absoluto com um número finito de transformações" e fornece uma definição precisa da magnitude chamada entropia.

Além disso, a terceira lei da termodinâmica também afirma que a entropia para um sólido perfeitamente cristalino, na temperatura de 0 kelvin é igual a 0.

Conceitos relacionados à termodinâmica

No estudo da termodinâmica, aparecem diferentes conceitos que devem ser conhecidos:

Sistema termodinâmico

Um sistema termodinâmico refere-se a uma área limitada usada para pesquisa termodinâmica e é o objeto da pesquisa termodinâmica. O espaço externo do sistema termodinâmico é chamado de ambiente desse sistema.

Os limites de um sistema separam o sistema do exterior. Esse limite pode ser real ou imaginário, mas o sistema deve ser limitado a um espaço limitado. O sistema e seu ambiente podem transferir matéria, trabalho, calor ou outras formas de energia no limite.

Ciclo termodinâmico

Na termodinâmica, um ciclo termodinâmico é um circuito de transformações termodinâmicas realizadas em um ou mais dispositivos destinados a obter trabalho de duas fontes de calor a diferentes temperaturas ou, inversamente, para produzir, através da contribuição do trabalho, a etapa de calor da fonte da temperatura mais baixa para a temperatura mais alta.

O objetivo de um ciclo termodinâmico é obter trabalho de duas fontes térmicas a diferentes temperaturas, por exemplo, em uma instalação de energia solar térmica. O trabalho obtido é geralmente usado para produzir movimento ou gerar eletricidade.

O desempenho é o principal parâmetro que caracteriza um ciclo termodinâmico. A eficiência térmica de um ciclo termodinâmico é definida como o trabalho obtido dividido pelo calor gasto no processo.

Propriedades termodinâmicas

Propriedades termodinâmicas são as propriedades que definem e intervêm no estado termodinâmico de um sistema. A termodinâmica é caracterizada por ter um estado de equilíbrio no qual pressão, volume, temperatura e composição estão presentes.

As propriedades termodinâmicas podem ser classificadas como extensas ou intensivas. Entre essas propriedades estão energia interna, entropia, entalpia, calor, temperatura, pressão, volume, etc.

Desempenho térmico

A eficiência térmica ou a eficiência de uma máquina térmica é uma razão de coeficiente ou sem dimensão calculada como a proporção da energia produzida (em um ciclo operacional) e a energia fornecida à máquina (para que ela consiga concluir o ciclo termodinâmico). É designado com a letra grega η

Dependendo do tipo de máquina térmica, a transferência dessas energias será feita na forma de calor, Q ou trabalho, W.

Em 1824, o físico francês Sadi Carnot derivou a eficiência térmica para uma máquina térmica ideal em função da temperatura de seus reservatórios quentes e frios:

eficiência termodinâmica

onde:

Th é a temperatura do reservatório quente; 
Tc é a temperatura do reservatório frio.

Em conclusão, a equação da eficiência térmica sugere que níveis mais altos de eficiência são obtidos com um gradiente de temperatura mais alto entre fluidos quentes e frios. Na prática, quanto mais quente o fluido, maior a eficiência do motor.

Aplicações da termodinâmica

A termodinâmica pode ser aplicada a uma ampla variedade de tópicos de ciência e engenharia, como motores, transições de fase, reações químicas, fenômenos de transporte e até buracos negros.

O estudo da termodinâmica é de grande importância no caso da energia solar térmica, porque esses tipos de instalações solares são baseadas na troca de calor.

Em resumo, os resultados termodinâmicos são essenciais para outros campos da física e química, engenharia química, engenharia aeroespacial, engenharia mecânica, biologia celular, engenharia biomédica e ciência dos materiais, para citar alguns.

Energia solar termodinâmica

O que é energia solar termodinâmica? Esta aplicação de energia solar é um sistema tecnológico que tira proveito da diferença entre a temperatura do líquido nos painéis solares (neste caso os painéis termodinâmicos) e a temperatura ambiente.

Na energia solar termodinâmica, os painéis solares transportam um líquido de refrigeração a uma temperatura muito baixa. O refrigerante, em contato com a temperatura ambiente, passa por um processo termodinâmico de troca de calor, desde que a temperatura externa não seja menor que a do refrigerante.

A vantagem deste sistema é que a energia térmica também pode ser gerada à noite, em condições climáticas adversas, chuva, vento, etc.

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Referências

Última revisão: 27 de novembro de 2019