Termodinâmica

A Termodinâmica (do Grego θερμη, therme, significa "calor"^[1] e δυναμις, dunamis, significa "potência"). É o ramo da Física que estuda os efeitos da mudança em temperatura, pressão e volume em sistemas físicos na escala macroscópica. A 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 a eficiência das primeiras máquinas à vapor. ^[2]

É bastante conhecido o fato de que qualquer porção de matéria ou determinada substância é constituída de partículas denominadas moléculas. As propriedades deste sistema de partículas são determinadas por suas propriedades termodinâmicas.

Típico sistema termodinâmico, mostrando entrada de uma fonte de calor (caldeira) na esquerda e saída para um redutor de calor (condensador) na direita. Trabalho é extraído, neste caso, por uma série de pistões.

A partir de uma visão macroscópica para o estudo do sistema, que não requer o conhecimento do comportamento individual destas partículas, desenvolveu-se a chamada termodinâmica clássica. Ela permite abordar de uma maneira fácil e direta a solução de nossos problemas. Uma abordagem mais elaborada, baseada no comportamento médio de grandes grupos de partículas, é chamada de termodinâmica estatística.^[3]^[4].

O ponto inicial para a maioria das considerações termodinâmicas são as Leis da Termodinâmica, que postulam que a energia pode ser transferida de um sistema físico para outro como calor ou trabalho. ^[5] Elas também postulam a existência de uma quantidade chamada entropia, que pode ser definida para qualquer sistema.^[6].

Em Termodinâmica, interações entre grandes conjuntos de objetos são estudadas e categorizadas. Para este estudo, os conceitos de sistema e vizinhanças são centrais. Um sistema é composto de partículas cujo movimento médio define suas propriedades, relacionadas através das equações de estado. Propriedades podem ser combinadas para expressar energia interna e potenciais termodinâmicos, que são úteis para determinadas condições de processos de equilíbrio e espontâneos.

Com estas ferramentas, a termodinâmica descreve como os sistemas respondem a mudanças em suas vizinhanças. Isso pode ser aplicado para uma ampla variedade de tópicos em ciência e tecnologia, como por exemplo máquinas, transições de fases, reações químicas, fenômenos de transporte e até buracos negros. Os resultados da termodinâmica são essenciais para outros campos da física e da química, engenharia química, engenharia aeroespacial, engenharia mecânica, biologia celular, engenharia biomédica, ciências dos materiais e economia, para citar alguns.^[7]^[8]

[editar] História

A breve história da termodinâmica começa com Otto von Guericke que em 1650 projetou e construiu a primeira bomba de vácuo do mundo, e o primeiro vácuo artificial do mundo, através das esferas de Magdeburg. Ele foi incentivado pela busca em provar a invalidade da antiga percepção de que "a natureza tem horror ao vácuo" e de que não poderia haver vazio ou vácuo, "pois no vácuo todos os corpos cairiam com a mesma velocidade" tal como descreveu em ambos os casos Aristóteles [[1]].

Logo após este evento, o físico e químico Irlandês Robert Boyle tomou ciência dos experimentos de Guericke, e em 1656, em coordenação com o cientista Inglês Robert Hooke, construiu uma bomba de ar.^[9] Usando esta bomba, Boyle e Hooke perceberam uma correlação entre pressão, temperatura e volume. Em tempo, a Lei de Boyle foi formulada, que estabelece que a pressão e o volume são inversamente proporcionais. Então, em 1679, baseado nestes conceitos, um conhecido de Boyle chamado Denis Papin construiu um forno de pressão (marmita de Papin), que era um vaso fechado com uma tampa fechada hermeticamente que confinava o vapor até alta pressão ser gerada.

Projetos posteriores incluíram uma válvula de alívio para o vapor, evitando que o recipiente explodisse devido à alta pressão. Observando o movimento rítmico da válvula de alívio para cima e para baixo, Papin concebeu a idéia de uma máquina constituída de um pistão e um cilindro. Mas Papin não seguiu adiante com a idéia. Foi somente em 1697, baseado nas idéias de Papin, que o engenheiro Thomas Savery construiu a primeira máquina a vapor. Embora nesta época as máquinas fossem brutas e ineficientes, elas atraíram a atenção dos principais cientistas da época. Um destes cientistas foi Sadi Carnot, o "pai da termodinâmica", que em 1824 publicou "Reflexões sobre a Potência Motriz do Fogo", um discurso sobre o calor, potência e eficiência de máquina. O texto trouxe as relações energéticas básicas entre a Máquina de Carnot, o Ciclo de Carnot e a Potência Motriz. Isto marcou o início da Termodinâmica como ciência moderna.^[3].

[editar] Processos

Sempre que uma ou mais propriedades de um sistema varia, diz-se que ocorreu uma mudança de estado. O caminho através de sucessivos estados pelo qual passa o sistema é definido como processo. Um processo de quase-equilíbrio (quasi-estático) é aquele em que o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal, e todos os estados pelo qual o sistema passa pode ser considerado como estados de equilíbrio. Muitos processos reais podem ser aproximados com precisão pelo processo de quase-equilíbrio.

[editar] Princípios da Termodinâmica

De acordo com o princípio da Conservação da Energia, a energia não pode ser criada nem destruída, mas somente transformada de uma espécie em outra. O primeiro princípio da Termodinâmica estabelece uma equivalência entre o trabalho e o calor trocados entre um sistema e seu meio exterior.

Consideremos um sistema recebendo uma certa quantidade de calor Q. Parte desse calor foi utilizado para realizar um trabalho W e o restante provocou um aumento na sua energia interna U.

Representa analíticamente o primeiro princípio da termodinâmica cujo enunciado pode ser:

A variação da energia interna de um sistema é igual à diferença entre o calor e o trabalho trocados pelo sistema com o meio exterior. Ela também pode ser representada pela fórmula U = 3/2 .n.R.(T_f - T_i), onde n é o número de mols do gás, R é a constante dos gases, Tf a temperatura final e Ti a temperatura inicial do gás.

Para a aplicação do primeiro princípio de Termodinâmica devem-se respeitar as seguintes convenções:

Uma forma fácil de saber o sinal sem ter que decorar essa tabela é usar as fórmulas. Por exemplo, na fórmula do trabalho t = p.(V2 - V1), se V2 > V1, o sinal do trabalho será positivo. Logo, quando o gás realiza trabalho sobre o meio (expansão), o sinal é positivo (volume aumenta). Podemos dizer que a energia interna do sistema é uma função de estado pois ela depende unicamente da temperatura do sistema. Se não há variação de temperatura a variação da energia interna é nula.

[editar] Transformações termodinâmicas particulares

Transformação isotérmica: Como a temperatura do sistema se mantém constante, a variação da energia interna é nula.

Por exemplo, considere um gás sofrendo uma expansão isotérmica conforme mostra as figuras.

A quantidade de calor que o gás recebe é exatamente igual ao trabalho por ele realizado. A área sombreada sob a curva é numericamente igual ao trabalho realizado.

Transformação isométrica: como o volume do sistema se mantém constante, não há realização de trabalho.

Todo o calor trocado com o meio externo é transformado em variação da energia interna.

Transformação isobárica: Numa transformação onde a pressão permanece constante, a temperatura e o volume são inversamente proporcionais, ou seja, quando a temperatura aumenta o volume diminui, pois ao expandir um gás necessita receber calor do meio para manter sua temperatura.

Parte do calor que o sistema troca com o meio externo está relacionado com o trabalho realizado e o restante com a variação da energia interna do sistema.

Transformação adiabática: Nessa transformação, o sistema não troca calor com o meio externo; o trabalho realizado é graças à variação de energia interna.

Numa expansão adiabática, o sistema realiza trabalho sobre o meio e a energia interna diminui.

Durante a compressão adiabática, o meio realiza trabalho sobre o sistema e a energia interna aumenta.

Denomina-se transformação cíclica ou cilo de um sistema o conjunto de transformações sofridas pelo sistema de tal forma que seus estados final e inicial são iguais.

Como a temperatura final é igual à temperatura inicial, a energia interna do sistema não varia, havendo uma igualdade entre o calor e o trabalho trocados em cada ciclo.

Num diagrama p x V uma transformação cíclica é representada por uma curva fechada. A área interna do ciclo é numericamente igual ao trabalho total trocado com o meio exterior.

Quando o ciclo é percorrido no sentido horário, o sistema recebe calor e realiza trabalho; e no sentido anti-horário o sistema cede calor e recebe trabalho.

[editar] Termodinâmica

A termodinâmica permite determinar a direção na qual vários processos físicos e químicos irão ocorrer. Também permite determinar as relações entre as diversas propriedades de uma substância. Contudo ela não trabalha com modelos da microestrutura da substância, e não é capaz de fornecer detalhes dela, mas uma vez que alguns dados sejam conhecidos, através do método da termodinâmica clássica, outras propriedades podem ser determinadas.

[editar] Leis da Termodinâmica

[editar] Referências

↑ Oxford American Dictionary
↑ Clausius, Rudolf (1850). On the Motive Power of Heat, and on the Laws which can be deduced from it for the Theory of Heat. Poggendorff's Annalen der Physick, LXXIX (Dover Reprint). ISBN 0-486-59065-8.
↑ ^3,0 ^3,1 Perrot, Pierre (1998). A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 0-19-856552-6.
↑ Clark, John, O.E. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble Books. ISBN 0-7607-4616-8.
↑ Van Ness, H.C. (1969). Understanding Thermodynamics. Dover Publications, Inc.. ISBN 0-486-63277-6.
↑ Dugdale, J.S. (1998). Entropy and its Physical Meaning. Taylor and Francis. ISBN 0-7484-0569-0.
↑ Smith, J.M., Van Ness, H.C., Abbott, M.M. (2005). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics. McGraw Hill. ISBN 0-07-310445-0.
↑ Haynie, Donald, T. (2001). Biological Thermodynamics. Cambridge University Press. ISBN 0-521-79549-4.
↑ Partington, J.R. (1989). A Short History of Chemistry. Dover. ISBN 0-486-65977-1.