A termodinâmica é o ramo da física que descreve os efeitos das mudanças de temperatura, pressão e volume de um sistema físico em nível macroscópico. Este ramo da física que se concentra no estudo das transformações de energia, particularmente no que se refere ao calor e ao trabalho
A matéria é composta de diferentes partículas que se movem de maneira desordenada. De acordo com a definição da termodinâmica, esta ciência não estuda o comportamento de cada partícula, mas sim o comportamento global de todas essas partículas.
Esta ciência permite-nos compreender muitos fenómenos naturais e tecnológicos, desde a eficiência de uma máquina até ao funcionamento do clima e do metabolismo dos seres vivos.
O que a termodinâmica estuda?
A termodinâmica física estuda como a energia é transformada e transferida na forma de calor e trabalho entre diferentes sistemas. Centra-se na compreensão de como essas transferências afetam a matéria, especialmente em termos de temperatura, pressão e volume. Os princípios fundamentais da termodinâmica estão organizados em 4 leis fundamentais.
Este ramo da física estuda como a energia se comporta e como ela é convertida de uma forma para outra, principalmente em relação ao calor e ao trabalho. Para isso, analisa as propriedades dos sistemas físicos e como as variações de temperatura, pressão e volume influenciam esses sistemas. Além das leis fundamentais, a termodinâmica é aplicada a diversos processos e tecnologias, como a criação de motores térmicos, refrigeradores e sistemas de aquecimento.
Leis da termodinâmica
Os princípios da termodinâmica regulam as transformações relacionadas com o calor, o seu progresso e os seus limites. Na verdade, são axiomas reais baseados na experiência em que se baseia toda a teoria.
Especificamente, podem ser distinguidos três princípios básicos, mais um princípio “zero”.
Lei Zero
A lei zero da termodinâmica afirma que quando dois sistemas em interação estão em equilíbrio térmico, eles compartilham algumas propriedades, que podem ser medidas dando-lhes um valor numérico preciso. Conseqüentemente, quando dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles estão em equilíbrio entre si e a propriedade compartilhada é a temperatura.
A primeira lei
A primeira lei afirma que quando dois corpos em temperaturas diferentes estão em contato, a transferência de calor ocorre até um estado de equilíbrio. Neste novo estado, as temperaturas dos dois corpos são iguais.
O primeiro princípio é o princípio da conservação da energia, que diz que a energia não pode ser criada ou destruída; apenas transforma.
A segunda lei
A segunda lei da termodinâmica afirma que o calor sempre flui de um objeto quente para um objeto frio e que não é possível criar uma máquina térmica 100% eficiente. Isto é conhecido como o princípio da impossibilidade de uma máquina de movimento perpétuo de segundo tipo.
Além disso, a segunda lei introduz o conceito de entropia, que mede a quantidade de desordem num sistema. A entropia sempre tende a aumentar em um sistema isolado.
A terceira lei
A terceira lei indica que é impossível chegar ao zero absoluto com um número finito de transformações e fornece uma definição precisa da magnitude chamada entropia.
Além disso, a terceira lei também afirma que a entropia para um sólido perfeitamente cristalino, à temperatura de 0 Kelvin, é igual a 0.
Sistemas termodinâmicos
Um sistema termodinâmico é uma parte específica do universo que escolhemos estudar e analisar do ponto de vista da termodinâmica. Este sistema está separado do seu ambiente por limites, que podem ser reais (como as paredes de um contentor) ou imaginários (como um limite definido apenas para efeitos de estudo).
O ambiente é tudo o que está fora do sistema e pode interagir com ele.
Os limites do sistema são cruciais porque determinam como o sistema pode trocar energia e matéria com o seu ambiente. Por exemplo, estas fronteiras podem permitir a passagem de calor, trabalho ou mesmo matéria, dependendo do tipo de sistema que estamos analisando.
Ciclos termodinâmicos
Um ciclo termodinâmico é uma série de processos pelos quais um sistema termodinâmico passa de um estado inicial, passando por várias mudanças de estado, e finalmente retorna ao estado inicial. Esses ciclos são realizados em dispositivos como motores e refrigeradores, com a finalidade de converter energia térmica em trabalho útil, ou vice-versa.
O principal parâmetro avaliado nestes ciclos é o desempenho térmico. A eficiência térmica (η) é calculada como o trabalho obtido dividido pelo calor fornecido
Propriedades termodinâmicas
Propriedades termodinâmicas são as características que descrevem o estado e o comportamento de um sistema termodinâmico em qualquer ponto de um ciclo. Essas propriedades nos permitem estudar como um sistema interage com seu ambiente e como ele muda conforme a energia é aplicada a ele na forma de calor ou trabalho. Essas propriedades são divididas em duas categorias principais: intensivas e extensivas:
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Propriedades intensivas : Não dependem da quantidade de matéria no sistema. Exemplos de propriedades intensivas incluem: temperatura, que mede o quão quente ou frio é um sistema, pressão, que representa a força exercida pelo sistema por unidade de área, e densidade, que é a massa por unidade de volume.
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Propriedades extensas : dependem da quantidade de matéria no sistema. Exemplos de propriedades extensas incluem massa (quantidade de matéria no sistema), volume (espaço que o sistema ocupa) ou energia interna (a soma de todas as energias das moléculas dentro do sistema.
Algumas propriedades, como entropia e entalpia, podem ser mais abstratas:
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Entropia : Mede a desordem ou aleatoriedade das partículas em um sistema. Quanto maior a entropia, maior a desordem.
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Entalpia : É a soma da energia interna e o produto da pressão e do volume do sistema. Representa o conteúdo total de energia útil em um sistema para realizar trabalho a pressão constante.
Uso e aplicações
Abaixo listamos alguns exemplos de algumas de suas aplicações:
- Na culinária.
- Na indústria automotiva, a maioria dos motores são motores térmicos .
- Na ciência dos materiais para obter novos tipos de materiais que possuam propriedades químicas e físicas bem definidas.
- Aplicações industriais para transformar matérias-primas em produtos acabados utilizando máquinas e energia.
- No projeto arquitetônico são levadas em consideração as transferências térmicas entre o exterior e o interior da casa, principalmente na arquitetura bioclimática e na energia solar passiva.
- Geração de eletricidade em usinas termelétricas onde processos termodinâmicos permitem a conversão de calor em eletricidade.