As leis da termodinâmica são um conjunto de princípios que governam o comportamento da energia e da matéria em relação ao calor e ao trabalho. Essas leis são a base da termodinâmica e se aplicam a uma ampla variedade de sistemas físicos, desde motores térmicos até processos biológicos e fenômenos astrofísicos. Existem quatro leis universalmente aceitas, cada uma das quais descreve aspectos essenciais da conservação, transferência e dissipação de energia em sistemas.
Com o tempo, esses princípios foram aceitos como "leis" devido à sua validade universal. Embora formulações adicionais tenham sido propostas nas últimas décadas, as quatro leis estabelecidas continuam sendo a estrutura fundamental da termodinâmica. Curiosamente, a lei zero foi formulada depois das outras três leis principais, mas devido à sua natureza fundamental, recebeu a posição "zero".
Essas 4 leis podem ser expressas de diferentes maneiras, dependendo do contexto teórico e prático em que são aplicadas. Entretanto, suas formulações mais comuns são as seguintes:
Lei zero: Equilíbrio termodinâmico
A lei zero afirma que “se dois sistemas termodinâmicos estão em equilíbrio térmico com um terceiro sistema, então eles também estão em equilíbrio entre si”. Este princípio é essencial para a definição da temperatura e permite a existência de termômetros e a comparação de temperaturas entre diferentes corpos. A formulação desta lei permitiu estabelecer rigorosamente o conceito de equilíbrio térmico, estado em que não há transferência líquida de calor entre sistemas em contato.
Em termos práticos, essa lei implica que se um objeto A está em equilíbrio térmico com um objeto B, e B está em equilíbrio térmico com um objeto C, então A e C também estão em equilíbrio térmico. Isso é crucial para medições precisas de temperatura e para definir escalas de temperatura em física e engenharia.
Primeira lei da termodinâmica: Conservação de energia
A primeira lei da termodinâmica, também conhecida como lei da conservação de energia, afirma que "a energia total de um sistema isolado não pode ser criada nem destruída, ela só pode ser transformada de uma forma para outra". Esta lei tem amplas implicações em vários campos da ciência e tecnologia, da engenharia à biologia.
Um exemplo cotidiano da primeira lei é uma máquina térmica, onde a energia química do combustível é convertida em energia térmica e, posteriormente, em trabalho mecânico. Matematicamente, esta lei é expressa como:
Onde:
- ΔU é a variação da energia interna do sistema,
- Q é o calor adicionado ao sistema,
- W é o trabalho realizado pelo sistema.
Esta equação reflete que qualquer mudança na energia interna de um sistema é devido à transferência de calor ou trabalho realizado. Em outras palavras, a energia de um sistema só pode ser modificada por meio de interações com seu ambiente.
Segunda lei da termodinâmica: Entropia e direção dos processos
A segunda lei da termodinâmica afirma que “a entropia do universo tende a aumentar”. Entropia é uma medida da desordem de um sistema e esta lei dita a direção natural dos processos termodinâmicos. Em termos simples, a energia se dispersa e os sistemas evoluem para estados de maior desordem se nenhum estresse externo for aplicado.
Esta lei tem várias consequências importantes:
- Irreversibilidade : Alguns processos, como a transferência de calor de um corpo quente para um frio, são espontâneos e irreversíveis em condições naturais.
- Eficiência das Máquinas Térmicas : Nenhuma máquina térmica pode ter 100% de eficiência, pois sempre haverá perdas de energia na forma de calor.
- Evolução do Universo : O aumento contínuo da entropia sugere que o universo está evoluindo em direção a um estado de equilíbrio térmico final, conhecido como "morte térmica".
A afirmação matemática da segunda lei pode ser expressa pela desigualdade de Clausius:
Onde é a quantidade de calor transferida e é a temperatura absoluta. Em processos irreversíveis, a entropia total do sistema e seus arredores aumenta.
Terceira lei da termodinâmica: Zero absoluto
A terceira lei da termodinâmica afirma que “ o zero absoluto não pode ser alcançado por um número finito de processos físicos”. O zero absoluto está localizado em 0 kelvin (-273,15 °C) e representa a temperatura mais baixa possível. Nessa temperatura, teoricamente, as partículas de um sistema estariam em seu estado fundamental de energia mínima e a entropia atingiria um valor constante.
Matematicamente, a terceira lei pode ser expressa como:
Onde:
- S(T) é a entropia a uma temperatura T ,
- S 0 é a entropia no zero absoluto (T = 0) ,
- C p é o calor específico a pressão constante.
- T é a temperatura em kelvin.
Esta lei tem implicações importantes na física dos materiais e na criogenia. À medida que um sistema esfria em direção ao zero absoluto:
- A entropia do sistema é reduzida a um valor mínimo.
- Os processos térmicos ficam consideravelmente mais lentos.
- Algumas substâncias sofrem um fenômeno conhecido como condensação de Bose-Einstein, onde um grande número de átomos ocupa o mesmo estado quântico.
Embora o zero absoluto seja inatingível na prática, a compreensão dessa lei permitiu avanços na supercondutividade e a criação de tecnologias que operam em temperaturas extremamente baixas.