Termodinâmica: Definição, Leis e Equações

Para muitas pessoas, a termodinâmica soa como um ramo assustador da física que apenas pessoas inteligentes podem entender. Mas com algum conhecimento básico e um pouco de trabalho, qualquer pessoa pode entender esta área de estudo.

A termodinâmica é um ramo da física que explora os acontecimentos nos sistemas físicos devido à transferência de energia térmica. Físicos de Sadi Carnot a Rudolf Clausius e James Clerk Maxwell a Max Planck contribuíram para seu desenvolvimento.

A palavra "termodinâmica" vem das raízes gregas garrafa térmica, significando quente ou morno, e dynamikos, significando poderoso, embora interpretações posteriores da raiz atribuam a ela o significado de ação e movimento. Em essência, a termodinâmica é o estudo da energia térmica em movimento.

A termodinâmica trata de como a energia térmica pode ser gerada e transformada em diferentes formas de energia, como a energia mecânica. Ele também explora a noção de ordem e desordem em sistemas físicos, bem como a eficiência energética de diferentes processos.

Um estudo profundo da termodinâmica também depende fortemente de mecânica estatística para entender a teoria cinética e assim por diante. A ideia básica é que os processos termodinâmicos podem ser entendidos em termos do que todas as pequenas moléculas em um sistema estão fazendo.

O problema é, no entanto, que é impossível observar e explicar a ação individual de cada molécula, então métodos estatísticos são aplicados em seu lugar, e com grande precisão.

Algum trabalho fundamental relacionado à termodinâmica foi desenvolvido já em 1600. A lei de Boyle, desenvolvida por Robert Boyle, determinou a relação entre pressão e volume, o que acabou levando à lei do gás ideal quando combinada com a lei de Charles e a Lei de Gay-Lussac.

Foi só em 1798 que o calor foi entendido como uma forma de energia pelo Conde Rumford (também conhecido como Sir Benjamin Thompson). Ele observou que o calor gerado era proporcional ao trabalho realizado no torneamento de uma ferramenta de mandrilamento.

No início de 1800, o engenheiro militar francês Sadi Carnot fez um trabalho considerável em desenvolver o conceito de um ciclo de motor térmico, bem como a ideia de reversibilidade em um sistema termodinâmico processar. (Alguns processos funcionam tão bem para trás quanto para frente no tempo; esses processos são chamados de reversíveis. Muitos outros processos funcionam apenas em uma direção.)

O trabalho de Carnot levou ao desenvolvimento da máquina a vapor.

Mais tarde, Rudolf Clausius formulou a primeira e a segunda leis da termodinâmica, que são descritas posteriormente neste artigo. O campo da termodinâmica evoluiu rapidamente em 1800, à medida que os engenheiros trabalhavam para tornar as máquinas a vapor mais eficientes.

As propriedades e quantidades termodinâmicas incluem o seguinte:

• Aquecer, que é a energia transferida entre objetos em diferentes temperaturas.
• Temperatura, que é uma medida da energia cinética média por molécula em uma substância.
• Energia interna, que é a soma da energia cinética molecular e da energia potencial em um sistema de moléculas.
• Pressão, que é uma medida da força por unidade de área em um recipiente que abriga uma substância.
• Volume é o espaço tridimensional que uma substância ocupa.
• Microestados são os estados em que as moléculas individuais estão.
• Macroestados são os maiores estados em que as coleções de moléculas se encontram.
• Entropia é uma medida da desordem em uma substância. É matematicamente definido em termos de microestados, ou de forma equivalente, em termos de mudanças no calor e na temperatura.

Muitos termos científicos diferentes são usados ​​no estudo da termodinâmica. Para simplificar suas próprias investigações, aqui está uma lista de definições de termos comumente usados:

• Equilíbrio térmico ou equilíbrio termodinâmico: Estado em que todas as partes de um sistema fechado estão à mesma temperatura.
• Kelvin zero absoluto: Kelvin é a unidade SI para temperatura. O valor mais baixo nesta escala é zero ou zero absoluto. É a temperatura mais fria possível.
• Sistema termodinâmico: Qualquer sistema fechado que contém interações e trocas de energia térmica.
• Sistema isolado: Um sistema que não pode trocar energia com nada fora dele.
• Energia térmica ou energia térmica: Existem muitas formas diferentes de energia; entre eles está a energia térmica, que é a energia associada ao movimento cinético das moléculas em um sistema.
• Energia livre de Gibbs: Potencial termodinâmico usado para determinar a quantidade máxima de trabalho reversível em um sistema.
• Capacidade de calor específico: A quantidade de energia térmica necessária para alterar a temperatura de uma unidade de massa de uma substância em 1 grau. Depende do tipo de substância e é um número geralmente consultado nas tabelas.
• Gás ideal: Um modelo simplificado de gases que se aplica à maioria dos gases em temperatura e pressão padrão. Supõe-se que as próprias moléculas de gás colidem em colisões perfeitamente elásticas. Também se presume que as moléculas estão suficientemente distantes umas das outras para que possam ser tratadas como massas pontuais.

Existem três principais leis da termodinâmica (chamada de primeira lei, segunda lei e terceira lei), mas também existe uma lei zero. Essas leis são descritas a seguir:

O lei zero da termodinâmica é provavelmente o mais intuitivo. Afirma que, se a substância A está em equilíbrio térmico com a substância B, e a substância B está em equilíbrio térmico equilíbrio com a substância C, segue-se que a substância A deve estar em equilíbrio térmico com substância C.

O primeira lei da termodinâmica é basicamente uma declaração da lei de conservação de energia. Ele afirma que a mudança na energia interna de um sistema é igual à diferença entre a energia térmica transferida para o sistema e o trabalho realizado pelo sistema em seu entorno.

O segunda lei da termodinâmica, às vezes referida como a lei que implica uma flecha do tempo - afirma que a entropia total em um sistema fechado só pode permanecer constante ou aumentar à medida que o tempo avança. A entropia pode ser considerada vagamente como uma medida da desordem de um sistema, e esta lei pode ser considerada de declarar vagamente que "as coisas tendem a se misturar quanto mais você as agita, em vez de desmisturando. ”

O terceira lei da termodinâmica afirma que a entropia de um sistema se aproxima de um valor constante conforme a temperatura de um sistema se aproxima do zero absoluto. Como no zero absoluto não há movimento molecular, faz sentido que a entropia não mude nesse ponto.

A termodinâmica faz uso da mecânica estatística. Este é um ramo da física que aplica estatísticas tanto à física clássica quanto à quântica.

A mecânica estatística permite que os cientistas trabalhem com quantidades macroscópicas de uma maneira mais direta do que com quantidades microscópicas. Considere a temperatura, por exemplo. É definida como a energia cinética média por molécula de uma substância.

E se, em vez disso, você precisasse determinar a energia cinética real de cada molécula e, mais do que isso, acompanhar cada colisão entre as moléculas? Seria quase impossível fazer algum progresso. Em vez disso, são usadas técnicas estatísticas que permitem uma compreensão da temperatura, capacidade de calor e assim por diante, como propriedades maiores de um material.

Essas propriedades descrevem o comportamento médio ocorrendo dentro do material. O mesmo é verdadeiro para quantidades como pressão e entropia.

UMA motor térmico é um sistema termodinâmico que converte energia térmica em energia mecânica. As máquinas a vapor são um exemplo de máquina térmica. Eles funcionam usando alta pressão para mover um pistão.

Os motores térmicos operam em algum tipo de ciclo completo. Eles têm algum tipo de fonte de calor, que geralmente é chamada de banho de calor, que permite que eles absorvam energia térmica. Essa energia térmica, então, causa algum tipo de mudança termodinâmica dentro do sistema, como aumento da pressão ou expansão de um gás.

Quando um gás se expande, ele age no meio ambiente. Às vezes, isso parece fazer com que um pistão se mova em um motor. No final de um ciclo, um banho frio é usado para trazer o sistema de volta ao seu ponto inicial.

As máquinas de calor absorvem energia térmica, usam-na para fazer trabalhos úteis e também emitem ou perdem alguma energia térmica para o ambiente durante o processo. O eficiência de uma máquina de calor é definida como a razão entre a produção de trabalho útil e a entrada de calor líquida.

Não é de surpreender que os cientistas e engenheiros queiram que seus motores térmicos sejam o mais eficientes possível - convertendo quantidades máximas de entrada de energia térmica em trabalho útil. Você pode pensar que o mais eficiente que uma máquina térmica poderia ser é 100% eficiente, mas isso está incorreto.

Na verdade, há um limite para a eficiência máxima de uma máquina térmica. Não só a eficiência depende do tipo de processos no ciclo, mesmo quando o melhor possível processos (aqueles que são reversíveis) são usados, o mais eficiente que uma máquina térmica pode ser depende da diferença relativa de temperaturas entre o banho térmico e o banho frio.

Esta eficiência máxima é chamada de eficiência de Carnot, e é a eficiência de um Ciclo de Carnot, que é um ciclo de motor térmico composto de totalmente reversível processos.

Existem muitas aplicações da termodinâmica para processos visto na vida cotidiana. Veja sua geladeira, por exemplo. Uma geladeira opera a partir de um ciclo termodinâmico.

Primeiro, um compressor comprime o vapor do refrigerante, que causa um aumento na pressão e o empurra para a frente em bobinas localizadas na parte externa traseira do refrigerador. Se você sentir essas bobinas, elas ficarão quentes ao toque.

O ar circundante faz com que eles esfriem e o gás quente volte a ser um líquido. Esse líquido é resfriado em alta pressão à medida que flui para as serpentinas dentro da geladeira, absorvendo o calor e resfriando o ar. Uma vez quente o suficiente, ele evapora em gás novamente e volta para o compressor, e o ciclo se repete.

As bombas de calor, que podem aquecer e resfriar sua casa, funcionam de acordo com princípios semelhantes.