Leis da Termodinâmica: Definição, Equações e Exemplos

A bomba perpétua é uma das muitas máquinas de movimento perpétuo que foram projetadas ao longo dos anos, com o objetivo de produzir movimento contínuo e, frequentemente, como resultado, energia livre. O design é bastante simples: a água desce de uma plataforma elevada sobre uma roda d'água, que é acoplada às engrenagens, que, por sua vez, opera uma bomba que puxa a água da superfície de volta para a plataforma elevada, onde o processo é reiniciado novamente.

Quando você ouvir falar de um design como este pela primeira vez, pode pensar que é possível e até mesmo uma boa ideia. E os cientistas da época concordaram, até que as leis da termodinâmica foram descobertas e destruíram as esperanças de todo mundo de movimento perpétuo de uma só vez.

As leis da termodinâmica são algumas das leis mais importantes da física. Eles visam descrever a energia, incluindo como ela é transferida e conservada, juntamente com o conceito crucial doentropiade um sistema, que é a parte que mata toda esperança de movimento perpétuo. Se você é um estudante de física, ou está apenas procurando entender as muitas tecnologias termodinâmicas processos que ocorrem ao seu redor, aprender as quatro leis da termodinâmica é um passo crucial para sua jornada.

A termodinâmica é um ramo da física que estudaenergia térmica e energia internaem sistemas termodinâmicos. A energia térmica é a energia que passa pela transferência de calor e a energia interna pode ser considerada como a soma da energia cinética e da energia potencial de todas as partículas de um sistema.

Usando a teoria cinética como uma ferramenta - o que explica as propriedades do corpo da matéria, estudando os movimentos de suas partículas constituintes - os físicos foram capazes de derivar muitas relações cruciais entre importantes quantidades. Claro, calcular a energia total de bilhões de átomos seria impraticável, considerando a aleatoriedade efetiva de seus movimentos precisos, de modo que os processos usados ​​para derivar as relações foram construídos em torno da mecânica estatística e semelhantes abordagens.

Essencialmente, a simplificação de suposições e um foco no comportamento "médio" sobre um grande número de moléculas deram cientistas as ferramentas para analisar o sistema como um todo, sem ficar preso em cálculos intermináveis ​​para um de bilhões de átomos.

Para entender as leis da termodinâmica, você precisa ter certeza de que entendeu alguns dos termos mais importantes.Temperaturaé uma medida da energia cinética média por molécula em uma substância - ou seja, quanto as moléculas estão se movendo (em um líquido ou gás) ou vibrando no local (em um sólido). A unidade SI para temperatura é Kelvin, onde 0 Kelvin é conhecido como "zero absoluto", que é o a temperatura mais fria possível (ao contrário da temperatura zero em outros sistemas), onde todo o movimento molecular cessa.

​Energia internaé a energia total das moléculas em um sistema, ou seja, a soma de sua energia cinética e energia potencial. A diferença de temperatura entre duas substâncias permite que o calor flua, que é oenergia térmicaque transfere de um para o outro.Trabalho termodinâmicoé um trabalho mecânico executado com o uso de energia térmica, como em uma máquina térmica (às vezes chamada de motor de Carnot).

​Entropiaé um conceito difícil de definir claramente em palavras, mas matematicamente é definido como a constante de Boltzmann (k​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg s⁻¹ K⁻¹) multiplicado pelo logaritmo natural do número de microestados em um sistema. Em palavras, muitas vezes é referido como a medida de "desordem", mas pode ser pensado com mais precisão como o grau de em que o estado de um sistema é indistinguível de um grande número de outros estados quando visto no macroscópico nível.

Por exemplo, um fio de fone de ouvido emaranhado tem um grande número de arranjos específicos possíveis, mas a maioria deles parece apenas tão “emaranhado” quanto os outros e, portanto, tem uma entropia mais alta do que um estado em que o fio está perfeitamente enrolado sem emaranhado.

A lei zero da termodinâmica obtém seu número porque a primeira, a segunda e a terceira leis são as mais conhecidas e amplamente ensinado, no entanto, é tão importante quando se trata de compreender as interações da termodinâmica sistemas. A lei zero afirma que se o sistema térmico A está em equilíbrio térmico com o sistema térmico B, e o sistema B está em equilíbrio térmico com o sistema C, então o sistema A deve estar em equilíbrio com o sistema C.

Isso é fácil de lembrar se você pensar sobre o que significa para um sistema estar em equilíbrio com outro. Pensando em termos de calor e temperatura: Dois sistemas estão em equilíbrio um com o outro quando o calor fluiu como tal para trazer à mesma temperatura, como a temperatura quente uniforme que você obtém algum tempo depois de despejar água fervente em uma jarra de água agua.

Quando eles estão em equilíbrio (ou seja, na mesma temperatura), ou nenhuma transferência de calor ocorre ou qualquer pequena quantidade de fluxo de calor é rapidamente cancelada por um fluxo do outro sistema.

Pensando nisso, faz sentido que, se você trouxer um terceiro sistema para essa situação, ele mudará para equilíbrio com o segundo sistema, e se estiver em equilíbrio, também estará em equilíbrio com o primeiro sistema também.

A primeira lei da termodinâmica afirma que a mudança na energia interna de um sistema (∆você) é igual ao calor transferido para o sistema (Q) menos o trabalho realizado pelo sistema (C). Em símbolos, é:

Esta é essencialmente uma declaração da lei de conservação de energia. O sistema ganha energia se o calor for transferido para ele e perde-o se funcionar em outro sistema, e o fluxo de energia é revertido nas situações opostas. Lembrando que o calor é uma forma de transferência de energia e o trabalho é a transferência de energia mecânica, é fácil ver que esta lei simplesmente reafirma a conservação da energia.

A segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia total de um sistema fechado (ou seja, um sistema isolado) nunca diminui, mas pode aumentar ou (teoricamente) permanecer a mesma.

Isso é frequentemente interpretado como significando que a "desordem" de qualquer sistema isolado aumenta ao longo do tempo, mas como discutido acima, esta não é uma maneira estritamente precisa de olhar para o conceito, embora seja amplamente direito. A segunda lei da termodinâmica afirma essencialmente que os processos aleatórios levam à “desordem” no sentido matemático estrito do termo.

Outra fonte comum de equívoco sobre a segunda lei da termodinâmica é o significado de um " sistema." Isso deve ser pensado como um sistema isolado do mundo exterior, mas sem esse isolamento, entropiapossodiminuir. Por exemplo, um quarto bagunçado deixado sozinho nunca ficará mais arrumado, maspossomude para um estado mais organizado de entropia mais baixa se alguém entrar e trabalhar nele (ou seja, limpar).

A terceira lei da termodinâmica afirma que, à medida que a temperatura de um sistema se aproxima do zero absoluto, a entropia do sistema se aproxima de uma constante. Em outras palavras, a segunda lei deixa em aberto a possibilidade de que a entropia de um sistema pode permanecer constante, mas a terceira lei esclarece que isso só ocorre emzero absoluto​.

A terceira lei também implica que (e às vezes é declarada como) é impossível reduzir a temperatura de um sistema a zero absoluto com qualquer número finito de operações. Em outras palavras, é essencialmente impossível atingir o zero absoluto, embora seja possível chegar muito perto dele e minimizar o aumento da entropia para o sistema.

Quando os sistemas ficam muito próximos do zero absoluto, pode ocorrer um comportamento incomum. Por exemplo, próximo ao zero absoluto, muitos materiais perdem toda a resistência ao fluxo de corrente elétrica, passando para um estado denominado supercondutividade. Isso ocorre porque a resistência à corrente é criada pela aleatoriedade do movimento dos núcleos do átomos no condutor - perto do zero absoluto, eles mal se movem e, portanto, a resistência é minimizada.

As leis da termodinâmica e a lei da conservação da energia explicam por que as máquinas de movimento perpétuo não são possíveis. Sempre haverá algum “desperdício” de energia criado no processo para qualquer projeto que você escolher, de acordo com a segunda lei da termodinâmica: a entropia do sistema aumentará.

A lei da conservação de energia mostra que qualquer energia na máquina deve vir de algum lugar, e o tendência à entropia mostra por que a máquina não transmite energia perfeitamente de uma forma para a outra.

Usando o exemplo da roda d'água e da bomba da introdução, a roda d'água deve ter peças móveis (por exemplo, o eixo e seu conexão com a roda, e as engrenagens que transmitem a energia para a bomba), e isso criará atrito, perdendo alguma energia conforme aquecer.

Isso pode parecer um pequeno problema, mas mesmo com uma pequena queda na produção de energia, a bomba não será capaz de obtertudoda água de volta à superfície elevada, reduzindo assim a energia disponível para a próxima tentativa. Então, da próxima vez, haverá ainda mais desperdício de energia e mais água incapaz de ser bombeada, e assim por diante. Além disso, também haverá perda de energia dos mecanismos da bomba.

Ao pensar sobre a segunda lei da termodinâmica, você pode se perguntar: Se a entropia de um isolado sistema aumenta, como poderia ser que um sistema tão "ordenado" como um ser humano veio a ser? Como meu corpo recebe informações desordenadas na forma de alimentos e as transforma em células e órgãos cuidadosamente projetados? Esses pontos não entram em conflito com a segunda lei da termodinâmica?

Esses argumentos cometem o mesmo erro: os seres humanos não são um "sistema fechado" (ou seja, sistema isolado) no sentido estrito do mundo, porque você interage com e pode tirar energia do ambiente universo.

Quando a vida emergiu pela primeira vez na Terra, embora a matéria tenha se transformado de um estado de alta entropia para um estado de baixa entropia, houve uma entrada de energia do sol no sistema, e esta energia permite que um sistema se torne entropia mais baixa ao longo Tempo. Observe que, na termodinâmica, o "universo" é frequentemente considerado como o ambiente que cerca um estado, em vez de todo o universo cósmico.

Para o exemplo do corpo humano criando ordem no processo de fabricação de células, órgãos e até mesmo outros humanos, a resposta é a mesmo: você recebe energia de fora, e isso permite que você faça algumas coisas que parecem desafiar a segunda lei da termodinâmica.

Se você estivesse completamente desligado de outras fontes de energia e usasse toda a energia armazenada em seu corpo, seria realmente verdade que você não poderia produzir células ou realizar qualquer uma das várias atividades que o mantêm funcionando. Sem seu aparente desafio à segunda lei da termodinâmica, você morreria.