Terceira lei da termodinâmica

A terceira lei da termodinâmica aborda a relação existente entre a entropia e um ponto de referência absoluto para determiná-la, sendo ele o zero absoluto. Ela também afirma que se uma máquina térmica fosse capaz de atingir a temperatura de zero absoluto, todo o seu calor seria convertido em trabalho, tornando-se uma máquina perfeita. Essa lei é calculada com base no limite da entropia, em que a temperatura tende a zero.

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Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre a terceira lei da termodinâmica
• 2 - O que fala a terceira lei da termodinâmica?
• 3 - Fórmula da terceira lei da termodinâmica
  • Fórmula da entropia
• 4 - Aplicações da terceira lei da termodinâmica
• 5 - Como surgiu a terceira lei da termodinâmica?
• 6 - Leis da termodinâmica

Resumo sobre a terceira lei da termodinâmica

• A terceira lei da termodinâmica foi formulada pelo físico-químico Walther Nernst, sendo derivada das outras leis da termodinâmica, de acordo com a mecânica estatística.

• A terceira lei da termodinâmica enuncia que é impossível atingir o zero absoluto.

• Os cientistas conseguiram chegar a temperaturas próximas ao zero absoluto, mas ainda não o atingiram.

• A entropia é a organização das moléculas em um sistema.

• As leis da termodinâmica são a lei zero, primeira lei, segunda lei e terceira lei.

• A lei zero da termodinâmica estuda o equilíbrio térmico entre diferentes corpos.

• A primeira lei da termodinâmica estuda a conservação de energia em sistemas termodinâmicos.

• A segunda lei da termodinâmica estuda as máquinas térmicas e a entropia.

• A terceira lei da termodinâmica estuda o zero absoluto.

O que fala a terceira lei da termodinâmica?

A terceira lei da termodinâmica, conhecida por teorema de Nernst ou postulado de Nernst, é uma lei desenvolvida pelo físico-químico Walther Nernst (1864 -1941), entre 1906 e 1912, que compõe o conjunto de leis da termodinâmica.

Em 1912, Nernst enunciou a terceira lei da termodinâmica como:

Não é possível, por qualquer série finita de processos, atingir-se a temperatura zero absoluto.|1|

De acordo com essa lei, quando aproximamos um sistema da temperatura do zero absoluto em Kelvin, a entropia (grau de desordem de um sistema) terá o seu menor valor, fazendo com que todos os processos envolvidos cessem suas atividades, possibilitando identificarmos o ponto de referência em que é possível determinar a entropia. No caso das máquinas térmicas, ao atingir-se o zero absoluto, elas conseguiriam converter toda a sua energia térmica (calor) em trabalho, sem perdas.

Para entendermos melhor, o conceito de entropia é introduzido, na segunda lei da termodinâmica, como o grau de movimentação e vibração das moléculas de um sistema; quanto maior for possibilidade de movimentação, maior será a entropia.

Fórmula da terceira lei da termodinâmica

\(\stackrel{lim\ ⁡∆S=0}{\tiny{T→0}}\)

• \(\stackrel{lim\ ⁡}{\tiny{T→0}}\) é o limite em que a temperatura tende a zero.

• \(∆S\) é a variação de entropia do sistema, medida em \([J/K]\).

• T é a temperatura, medida em Kelvin \([K]\).

• Fórmula da entropia

\(∆S=\frac{∆Q}T\)

• \(∆S\) é a variação de entropia do sistema, medida em \( [J/K]\).

• \(∆Q\) é a variação de calor, medida em Joule \([J] \).

• T é a temperatura, medida em Kelvin \([K] \).

Aplicações da terceira lei da termodinâmica

O zero absoluto nunca foi alcançado nos laboratórios, fazendo com que a terceira lei da termodinâmica seja uma lei teórica, sendo assim, não se tem aplicações dela. Contudo, caso fosse alcançada essa temperatura, as máquinas térmicas teriam um rendimento de 100%, e todo o seu calor seria convertido em trabalho.

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Como surgiu a terceira lei da termodinâmica?

Entre 1906 e 1912, o físico-químico Walther Nernst desenvolvia a terceira lei da termodinâmica, ele também foi o responsável por pesquisas nos campos da eletroquímica e fotoquímica, propiciando um grande avanço dos estudos da fisíco-química.

Com base em seus estudos sobre a entropia, Walther Nernst propôs que ela só ocorreria em cristais perfeitos, contudo, posteriormente, ele verificaria que, na verdade, a temperatura de zero absoluto sequer existe, mas também que, se o sistema estiver próximo a essa temperatura, um valor mínimo da entropia poderia ser obtido.

Desde essa época, os cientistam vêm tentando obter essa temperatura, chegando a níveis cada vez mais próximos de zero. Com base nisso, eles perceberam que ele só pode ser atingível em gases.

Com a elaboração da mecânica estatística, a terceira lei da termodinâmica se tornou uma lei derivada das leis básicas, diferentemente das outras leis que continuando sendo fundamentais, em razão de terem embasamento experimental que as sustente.

Leis da termodinâmica

As leis da termodinâmica tratam das relações entre a pressão, o volume e a temperatura com o calor, a energia e outras grandezas físicas. São compostas por quatro leis: lei zero, primeira lei, segunda lei e terceira lei.

• Lei zero da termodinâmica: afirma que corpos a diferentes temperaturas trocarão calor até que atinjam o equilíbrio térmico.

• Primeira lei da termodinâmica: afirma que a variação de energia interna de um sistema termodinâmico é dada pela diferença entre o trabalho realizado pelo sistema e a variação de calor que ele absorveu.

• Segunda lei da termodinâmica: afirma que é impossível criar-se uma máquina capaz de converter todo o seu calor em trabalho. Além disso, ela enuncia a entropia como o grau de desordem de um sistema.

• Terceira lei da termodinâmica: afirma que é impossível atingir-se o zero absoluto.

Nota

|1| Citação do livro Curso de física básica: fluídos, oscilações e ondas, calor (vol. 2).

Por Pâmella Raphaella Melo
Professora de Física