As leis da termodinâmica são um conjunto de leis nas quais a física da termodinâmica se baseia. Especificamente, estas são quatro leis que são universalmente válidas quando aplicadas a sistemas que se enquadram nas restrições implícitas em cada uma delas.
Com o tempo, esses princípios tornaram-se “leis”. Atualmente, um total de quatro leis são declaradas. Nos últimos 80 anos, alguns autores sugeriram outras leis, mas nenhuma delas foi aceita por unanimidade.
Curiosamente, a lei zero foi formulada depois de terem sido enunciadas as outras três leis e é uma consequência de todas elas. Por esse motivo, possui posição 0.
Quais são as leis da termodinâmica?
Nas diversas descrições teóricas da termodinâmica, estas leis podem ser expressas de maneiras aparentemente diferentes, mas as formulações mais proeminentes são as seguintes:
- A lei zero afirma que “se dois sistemas termodinâmicos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles também estão em equilíbrio entre si”.
- A primeira lei afirma que “A energia total de um sistema isolado não é criada nem destruída, permanece constante”.
- A segunda lei afirma que a quantidade de entropia no universo tende a aumentar. Desta lei extrai-se que não existe 100% de eficiência de uma máquina térmica. Note-se também que nem todos os processos termodinâmicos são reversíveis.
- A terceira lei afirma que é impossível atingir uma temperatura igual ao zero absoluto (0 kelvin ).
Lei zero: lei do equilíbrio termodinâmico
Este princípio é chamado de equilíbrio termodinâmico. Se dois sistemas A e B estão em equilíbrio termodinâmico, e B está em equilíbrio termodinâmico com um terceiro sistema C, então A e C estão, por sua vez, em equilíbrio termodinâmico.
Este princípio é fundamental. O Princípio 0 só foi formulado formalmente depois que as outras três leis foram declaradas. Portanto, ele recebe a posição 0.
O equilíbrio termodinâmico de um sistema é definido como a condição na qual as variáveis empíricas utilizadas para definir um estado do sistema atingiram um ponto de equilíbrio. Estando em equilíbrio, eles não variam com o tempo.
Essas variáveis empíricas (experimentais) de um sistema são conhecidas como coordenadas termodinâmicas do sistema. Entre outras variáveis empíricas temos: pressão, volume, campo elétrico, polarização, magnetização, tensão linear, tensão superficial, etc.
Primeira lei: conservação de energia
A primeira lei da termodinâmica postula que a energia total de um sistema isolado permanece constante; Não é criado nem destruído, simplesmente se transforma de uma forma em outra. Por exemplo, numa máquina térmica, a energia térmica resultante da combustão é convertida em energia mecânica.
Esta lei, também conhecida como lei da conservação da energia, afirma que ao realizar trabalho num sistema ou trocar calor com outro, a energia interna do sistema sofrerá alterações. Em termos mais simples, a lei permite que o calor seja conceituado como a quantidade de energia que um sistema deve trocar para equilibrar as discrepâncias entre o trabalho realizado e a energia interna. Antoine Lavoisier foi o pioneiro ao propor esta lei termodinâmica fundamental.
Segunda lei: princípio da entropia
A segunda lei da termodinâmica regula a direção em que os processos termodinâmicos devem ser realizados e, portanto, a impossibilidade deles ocorrerem na direção oposta. Por exemplo, a transferência de calor pode ocorrer de um corpo quente para um corpo frio, mas não o contrário.
Estabelece também, em alguns casos, a impossibilidade de converter completamente toda a energia de um tipo para outro sem perdas. Por exemplo, num motor ideal, a quantidade de calor fornecida é convertida em trabalho mecânico. Contudo, num motor real, parte do calor fornecido é perdida.
Esta lei nos permite definir entropia. A mudança na quantidade de entropia de um sistema isolado deve ser sempre maior ou igual a zero e só é igual a zero se o processo for reversível.
A primeira e a segunda leis surgiram simultaneamente na década de 1850. Foram principalmente o resultado dos trabalhos de William Rankine, Rudolf Clausius e William Thomson (Lord Kelvin).
Terceira lei: princípio do zero absoluto
A terceira lei da termodinâmica postula que é impossível atingir uma temperatura igual ao zero absoluto através de um número finito de processos físicos. O zero absoluto está localizado em 0 Kelvin, equivalente a -273 graus Celsius, e esta lei, fundamentalmente proposta por Walther Nernst, estabelece limitações fundamentais na abordagem destas condições extremas.
À medida que a temperatura se aproxima do zero absoluto, a entropia de qualquer sistema tende a zero, implicando ordenação máxima e agitação molecular mínima. Em outras palavras, a desordem do sistema é reduzida ao mínimo à medida que o limite térmico mais baixo possível é atingido.
Este princípio também pode ser formulado da seguinte forma: à medida que um sistema específico se aproxima do zero absoluto, a sua entropia converge para um valor constante específico. Este aspecto da terceira lei da termodinâmica destaca a regularidade intrínseca que se manifesta em sistemas a temperaturas extremamente baixas.