Termodinâmica

A Termodinâmica é a área da Física que estuda diversos fenômenos e sistemas físicos complexos em que podem ocorrer trocas de calor, transformações de energia e variações de temperatura. A Termodinâmica é regida por quatro leis, que nos permitem descrever diversos sistemas por meio de variáveis, como pressão, volume, temperatura, calor e entropia.

Veja também: Calorimetria: um resumo sobre o que há de mais importante nessa área

Tópicos deste artigo

• 1 - Conceitos fundamentais da Termodinâmica
• 2 - Leis da Termodinâmica

Conceitos fundamentais da Termodinâmica

A Termodinâmica é uma descrição estatística da natureza, por meio dela é possível conceber o comportamento macroscópico de sistemas que contenham muitos corpos. Como essa área de estudo é bastante ampla, alguns conceitos fundamentais serão apresentados a fim de facilitar a compreensão das leis abordadas a seguir.

• Sistema termodinâmico

Os sistemas termodinâmicos são regiões distinguíveis de suas vizinhanças por causa de alguma característica. Essas regiões podem ser separadas por paredes, membranas, entre outros, como exemplo, é possível considerar o gás no interior de um balão como um sistema.

A definição de sistema fechado, por sua vez, é um pouco mais restrita. Sistemas fechados são aqueles que não realizam trocas de calor nem exercem ou recebem trabalho de suas vizinhanças.

• Estado termodinâmico

O estado termodinâmico diz respeito a um conjunto de variáveis as quais podem ser usadas para descrever as condições de um sistema. Isso possibilita a reprodução dessas condições por outro experimentador, por exemplo, em outras palavras, o estado de um sistema simboliza a sua condição, por meio de parâmetros, como pressão, volume, temperatura. Quando um sistema sofre uma mudança de estado termodinâmico, dizemos que ele sofreu uma transformação.

• Equilíbrio termodinâmico

O equilíbrio termodinâmico é a condição em que um sistema não apresenta quaisquer tendências para uma mudança espontânea de estado termodinâmico, isso equivale dizer que um sistema que se encontre em equilíbrio termodinâmico não muda seu estado espontaneamente, a menos que ele sofra alguma influência de suas vizinhanças.

O conceito de equilíbrio termodinâmico também é importante para que se compreenda a ideia de transformação reversível e transformação irreversível. Transformações reversíveis são aquelas que ocorrem muito próximas da situação de equilíbrio, nesse sentido, um sistema que estiver passando por uma transformação reversível rapidamente volta à situação de equilíbrio.

Transformações irreversíveis são aquelas em que as condições de equilíbrio são cada vez menos acessíveis, fazendo com que todo o sistema mude suas características de tal modo que não seja mais possível que ele volte ao estado anterior.

• Temperatura

De acordo com a teoria cinética dos gases, a temperatura pode ser compreendida como a manifestação macroscópica da energia cinética das partículas constituintes de um sistema termodinâmico. Essa temperatura, portanto, mede o grau de agitação. Sua unidade de medida é o kelvin (K).

• Trabalho termodinâmico

O trabalho termodinâmico é a troca de energia entre dois sistemas termodinâmicos em razão da movimentação de suas fronteiras. Por exemplo: quando se aquece um gás no interior do êmbolo de uma seringa, em certo momento, a pressão exercida pelo gás é suficientemente grande para empurrar o êmbolo. Essa energia, então, sob a forma de uma energia mecânica, é transferida do gás para o meio externo, fazendo com que a temperatura e a energia interna do gás sofram diminuição.

Leis da Termodinâmica

Existem quatro leis da Termodinâmica e cada uma delas relaciona-se a um conceito da Termologia, vamos conferir quais são as leis da Termodinâmica e o que cada uma delas afirma:

• Lei zero da Termodinâmica

A lei zero da Termodinâmica afirma que todos os corpos em contato térmico transferem calor entre si, até que se atinja o equilíbrio térmico. A lei zero da Termodinâmica é geralmente explicada em termos de três corpos: A, B e C.

De acordo com essa explicação, os corpos A, B e C encontram-se em contato térmico a um longo tempo, sendo assim, se o corpo A estiver em equilíbrio térmico com o corpo B, o corpo C estará em equilíbrio térmico com os corpos A e B, nesse caso, as temperaturas de A, B e C serão iguais e não ocorrerão mais trocas de calor entre eles.

“Todos os corpos trocam calor entre si até que se atinja a condição de equilíbrio térmico.”

• Primeira lei da Termodinâmica

A primeira lei da Termodinâmica diz respeito à conservação de energia. De acordo com essa lei, toda a energia que é transferida para um corpo pode ser armazenada no próprio corpo, nesse caso, transformando-se em energia interna. A outra porção de energia que é transferida para o corpo pode ser transferida para as vizinhanças na forma de trabalho ou na forma de calor.

A fórmula utilizada para descrever a primeira lei da Termodinâmica é mostrada a seguir, confira:

“A variação da energia interna de um sistema termodinâmico é medida pela diferença entre a quantidade de calor por ele absorvido e a quantidade de trabalho por ele, ou sobre ele, realizado.”

• Segunda lei da Termodinâmica

A segunda lei da Termodinâmica diz respeito a uma grandeza física conhecida como entropia, que é uma medida do número de estados termodinâmicos de um sistema, em outras palavras, a entropia fornece uma medida da aleatoriedade ou da desorganização de um sistema.

• Terceira lei da Termodinâmica

A terceira lei da Termodinâmica diz respeito ao limite inferior da temperatura: o zero absoluto. De acordo com essa lei, não há como um corpo atingir a temperatura do zero absoluto. Além dessa definição, essa lei também traz implicações sobre o rendimento das máquinas térmicas, que sob nenhuma condição poderá ser igual a 100%.

Por Rafael Helerbrock
Professor de Física