Termodinâmica

O que é um sistema termodinâmico ? Em termodinâmica, um sistema termodinâmico, originalmente chamado uma substância de trabalho, é definido como a parte do universo que está sob consideração. Qualquer coisa em questão é chamado de sistema. Uma fronteira hipotética sistema do resto do universo, que é referido como o ambiente, a vizinhança ou reservatório. Uma classificação útil dos sistema termodinâmicos é baseada na natureza da fronteira e as grandezas que fluem através dele, como matéria, energia, trabalho, calor e entropia. Um sistema pode ser qualquer coisa, por exemplo, um pistão, uma solução em um tubo de ensaio, um organismo vivo, um circuito elétrico, um planeta, etc.

Fronteiras de um sistema Termodinâmico Fronteiras Adiabáticas: não deixam passar calor entre sistema e vizinhanças. Uma garrafa térmica, em rude aproximação, é uma fronteira adiabática. Fronteiras Diatérmicas: deixam o calor passar entre sistema e vizinhanças. Um erlenmeyer, por exemplo, é uma fronteira diatérmica. Fronteiras Permeáveis: deixam matéria (e calor) passar entre o sistema e vizinhanças. A pele humana é um bom exemplo.

Processos Termodinâmicos Processo Isobárico: ocorre a p constante Processo Isocórico (isométrico ou isovolumétrico): ocorre a V constante Processo Isotérmico: ocorre a T constante Processo Isentrópico: ocorre a S constante Processo Isentálpico: ocorre a H constante Processo Adiabático: sem ganho ou perda de calor.

História da Termodinâmica A termodinâmica é o ramo da Física que estuda as causas e os efeitos de mudanças na temperatura, pressão e volume - e de outras grandezas termodinâmicas fundamentais em casos menos gerais - em sistemas físicos em escala macroscópica. Grosso modo, calor significa "energia" em trânsito, e dinâmica se relaciona com "movimento". Por isso, em essência, a termodinâmica estuda o movimento da energia e como a energia cria movimento. Historicamente, a termodinâmica se desenvolveu pela necessidade de aumentar-se a eficiência das primeiras máquinas a vapor, sendo em essência uma ciência experimental, que diz respeito apenas a propriedades macroscópicas ou de grande escala da matéria e energia

Temperatura A Temperatura é um parâmetro físico vulgarmente associado às sensações de frio e calor que sentimos. Porém, trata-se de uma grandeza física que mensura a energia cinética média e o grau de liberdade de cada partícula em um sistema em equilíbrio térmico.

Pressão e volume Pressão - A pressão de um gás ocorre quando as moléculas se chocam com a parede do recipiente. Ela é considerada a consequência dessa colisão.  Ela é considerada também uma grandeza escalar, ou seja, ela é a razão que fica entre a intensidade da força resultante e a área da superfície.  Volume - Em relação aos gases, devemos saber que estes não possuem volume, e nem forma própria. Porém, quando falamos do volume de um gás, devemos ter em mente que o volume dele na certa é o volume do recipiente que ele ocupa. 

Energia Interna De forma direta, energia interna é uma grandeza termodinâmica que mensura o conteúdo total de energia encerrado pelas fronteiras que definem um sistema termodinâmico. Refere-se pois à energia total associada apenas aos constituintes do sistema em si. A energia interna não leva em consideração a energia eventualmente armazenada em interações do sistema com sua vizinhança. Em mecânica clássica, havendo ausência de forças dissipativas - em ausência de trocas de energia na forma de calor - a energia mecânica desempenha nos problemas mecânicos correlatos papel similar ao da energia interna nos problemas termodinâmicos: ambas se conservam em sistemas isolados.

MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR Há três mecanismos conhecidos para transferência de calor: radiação, condução e convecção (Fig. 2.13). Como vimos, a radiação consiste de ondas eletromagnéticas viajando com a velocidade da luz. Como a radiação é a única que pode ocorrer no espaço vazio, esta é a principal forma pela qual o sistema Terra-Atmosfera recebe energia do Sol e libera energia para o espaço. A condução ocorre dentro de uma substância ou entre substâncias que estão em contato físico direto. Na condução a energia cinética dos átomos e moléculas (isto é, o calor) é transferida por colisões entre átomos e moléculas vizinhas. O calor flui das temperaturas mais altas (moléculas com maior energia cinética) para as temperaturas mais baixas (moléculas com menor energia cinética). A capacidade das substâncias para conduzir calor (condutividade) varia consideravelmente. Via de regra, sólidos são melhores condutores que líquidos e líquidos são melhores condutores que gases.

Condutores e Isolantes Térmicos O que determina se um material será bom ou mau condutor térmico são as ligações em sua estrutura atômica ou molecular. Assim, os metais são excelentes condutores de calor devido ao fato de possuírem os elétrones mais externos "fracamente" ligados, tornando-se livres para transportar energia por meio de colisões através do metal. Por outro lado temos que materiais como lã, madeira, vidro, papel são maus condutores de calor (isolantes térmicos), pois, os elétrones mais externos de seus átomos estão firmemente ligados. Os líquidos e gases, em geral, são maus condutores de calor. O ar, por exemplo, é um ótimo isolante térmico. Por este motivo quando você põe sua mão em um forno quente, não se queima. Entretanto, ao tocar numa forma de metal dentro dele você se queimaria, pois, a forma metálica conduz o calor rapidamente.

Lei Zero da Termodinâmica Por definição, dois corpos possuem a mesma temperatura se estiverem em equilíbrio térmico entre si. A Lei Zero da termodinâmica, permite, também, definir uma escala de temperatura, como por exemplo, as escalas de temperatura Celsius e Fahrenheit. A escala de temperatura Celsius define a temperatura de solidificação da água, formando gelo, como sendo zero graus Celsius (0°C) e a de ebulição da água a partir do estado líquido como sendo 100°C, quando submetidos à pressão de 1 atmosfera. Já a escala Fahrenheit, define a temperatura do gelo como 32°F e a do vapor como 212°F, quando submetidos à pressão de 1 atmosfera.

Primeira Lei da Termodinâmica A primeira lei da termodinâmica é a lei de conservação da energia. Nela observamos a equivalência entre trabalho e calor. Esta lei enuncia que a energia total transferida para um sistema é igual à variação da sua energia interna. A expressão matemática que traduz esta lei para um sistema não-isolado é: onde Q representa troca de calor, W a realização de trabalho (sendo respectivamente positivos quando o sistema recebe calor ou nele é realizado trabalho, negativos do contrário) e R a emissão ou absorção de radiação. Podemos simplificar dizendo que existe uma função (energia interna) cuja variação durante uma transformação depende unicamente de dois estados, o inicial e o final. Num sistema fechado a indicação desta variação é dada como: Onde e são, respectivamente, o calor e o trabalho trocados entre o sistema e o meio. As quantidades e são expressas algebricamente, sendo positivas quando expressam energia recebida pelo sistema. A quantidade é nula pois, em sistema fechado, não se verificam absorções nem emissões de radiação.

Segunda Lei da Termodinâmica A segunda lei da termodinâmica ou segundo princípio da termodinâmica expressa, de uma forma concisa, que "A quantidade de entropia de qualquer sistema isolado Termo dinamicamente tende a incrementar-se com o tempo, até alcançar um valor máximo". Mais sensivelmente, quando uma parte de um sistema fechado interage com outra parte, a energia tende a dividir-se por igual, até que o sistema alcance um equilíbrio térmico. Enquanto a primeira lei da termodinâmica estabelece a conservação de energia em qualquer transformação, a segunda lei estabelece condições para que as transformações termodinâmicas possam ocorrer.

Termodinâmica Fim !