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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 "garrafa térmica" 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 desordenado.

A importância prática reside fundamentalmente na diversidade de fenômenos físicos que ela descreve. Conseqüentemente, o conhecimento dessa diversidade levou a uma enorme produtividade tecnológica.

O que a termodinâmica estuda?

Na termodinâmica, as interações entre vários sistemas termodinâmicos são estudadas e classificadas.

Um sistema termodinâmico é caracterizado por suas propriedades, relacionadas entre si através de equações de estado. Eles podem ser combinados para expressar energia interna e potenciais termodinâmicos, úteis para determinar condições de equilíbrio entre sistemas, processos espontâneos e troca de  energia com o ambiente.

Os principais elementos que temos para o seu estudo são:

  • As leis da termodinâmica. Essas leis definem como a energia pode ser trocada entre sistemas físicos na forma de calor ou trabalho.
  • Entropia. Entropia é uma quantidade que pode ser definida para qualquer sistema. Especificamente, a entropia define o distúrbio no qual as partículas internas que compõem a matéria se movem, isto é, a energia cinética que as partículas que compõem um corpo possuem .
  • Entalpia. 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.

Com essas ferramentas, a termodinâmica descreve como os sistemas respondem às mudanças em seu ambiente. Muitas vezes, este estudo se aplica a gases. Nesse caso, os gases ideais são frequentemente discutidos.

O que é um gás ideal?

Um gás ideal é um gás teórico composto por um conjunto de partículas pontuais com deslocamento aleatório, que não interagem entre si, ou seja, as partículas que o compõem não  trocam energia.

O conceito de gás ideal é útil porque se comporta de acordo com a lei do gás ideal, uma equação simplificada de estado, que pode ser analisada usando a mecânica estatística.

Sob condições normais, como pressão e temperatura normais, a maioria dos gases reais se comporta qualitativamente como um gás ideal.

Quais são as leis da termodinâmica?

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

Especificamente, três princípios básicos podem ser distinguidos, além de um princípio "zero" que define a temperatura e que 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 produz trabalho sem consumir energia.

Em resumo, o primeiro princípio termodinâmico é tradicionalmente declarado 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 termodinâmico

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 o único resultado de transferir calor de um corpo frio para um corpo quente" (declaração de Clausius). Portanto,  a transferência de calor sempre passa do corpo quente para o corpo frio.

Por outro lado, também pode-se afirmar, de forma 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 ao último e, em alguns casos, é considerado uma conseqüência do último. Nesse sentido, pode-se afirmar dizendo que "é impossível alcançar o zero absoluto com um número finito de transformações" e fornece uma definição precisa da quantidade 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

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

O que é um sistema termodinâmico?

Um sistema termodinâmico refere-se a uma área limitada usada para pesquisa termodinâmica e é o assunto da pesquisa. 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 nos limites.

O que é um ciclo termodinâmico?

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, produzir, por meio da contribuição do trabalho, a passagem de calor do fonte de temperatura mais baixa 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. O desempenho térmico de um ciclo termodinâmico é definido como o trabalho obtido dividido pelo calor gasto no processo.

Quais são as 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.

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

O que significa desempenho térmico?

O desempenho térmico ou a eficiência de uma máquina térmica é um coeficiente ou proporção sem dimensão calculado como a razão da energia produzida (em um ciclo operacional) e a energia fornecida à máquina (para que ela possa completar o ciclo termodinâmico). É designado pela letra grega η

Dependendo do tipo de máquina térmica, a transferência dessas energias será 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:

Termodinâmica

onde:

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

Em conclusão, a equação do desempenho térmico afirma 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.

Para que serve a 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.

Aqui estão alguns exemplos de algumas de suas aplicações:

  • Alimento. A cozinha quente é um exemplo constante de transformações químicas através de processos termodinâmicos.
  • Ciência dos materiais. Nesse caso, os processos térmicos são usados ​​para obter novos tipos de materiais que possuem propriedades químicas e físicas bem definidas.
  • Aplicações industriais. No mundo industrial, existem muitos processos que transformam matérias-primas em produtos acabados, usando máquinas e energia. Um exemplo é a indústria cerâmica, onde fornos de túneis longos atiram tijolos em temperaturas acima de 800 graus Celsius.
  • Arquitetura. No campo da construção, é muito importante levar em consideração as transferências térmicas entre o exterior e o interior da casa. Na arquitetura bioclimática, a termodinâmica desempenha um papel fundamental, razão pela qual todos os aspectos da energia solar passiva são estudados em detalhes.
  • Geração de eletricidade. Em todas as usinas termelétricas ( combustíveis fósseis, energia nuclear ou usinas solares), esses conceitos são usados ​​para acionar turbinas a vapor e geradores elétricos.

O estudo termodinâmico é de grande importância no caso da energia solar térmica, porque esse tipo de instalação solar é baseada na troca de calor.

Por fim, 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.

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.

Referências

Autor:

Data de publicação: 15 de junho de 2016
Última revisão: 18 de abril de 2020