Pin It

Termodinâmica

Explore as três leis da termodinâmica

Explore as três leis da termodinâmica

O ramo da ciência chamado de termodinâmica lida com sistemas que são capazes de transferir energia térmica para pelo menos uma outra forma de energia (mecânica, elétrica, etc.) ou para o trabalho.

As leis da termodinâmica foram desenvolvidas ao longo dos anos como algumas das regras mais fundamentais seguidas quando um sistema termodinâmico passa por algum tipo de mudança de energia.

História da Termodinâmica

A história da termodinâmica começa com Otto von Guericke, que, em 1650, construiu a primeira bomba de vácuo do mundo e demonstrou vácuo usando seus hemisférios de Magdeburgo.

Guericke foi levado a fazer um vácuo para refutar a suposição de longa data de Aristóteles de que “a natureza abomina o vácuo”. Pouco depois de Guericke, o físico e químico inglês Robert Boyle havia aprendido sobre os projetos de Guericke e, em 1656, em coordenação com o cientista inglês Robert Hooke, construiu uma bomba de ar.

Usando essa bomba, Boyle e Hooke notaram uma correlação entre pressão, temperatura e volume. Com o tempo, foi formulada a Lei de Boyle, que afirma que a pressão e o volume são inversamente proporcionais.

Consequências das Leis da Termodinâmica

As leis da termodinâmica tendem a ser relativamente fáceis de afirmar e entender … tanto que é fácil subestimar o impacto que elas têm.

Entre outras coisas, eles colocam restrições sobre como a energia pode ser usada no universo. Seria muito difícil enfatizar o quanto esse conceito é significativo. As conseqüências das leis da termodinâmica tocam em quase todos os aspectos da investigação científica de alguma forma.

Conceitos chave para entender as leis da termodinâmica

Para entender as leis da termodinâmica, é essencial entender alguns outros conceitos termodinâmicos que se relacionam com eles.

  • Visão geral de termodinâmica – Uma visão geral dos princípios básicos do campo da termodinâmica
  • Energia de Calor – Uma definição básica de energia térmica
  • Temperatura – Uma definição básica de temperatura
  • Introdução à transferência de calor – Uma explicação dos vários métodos de transferência de calor.
  • Processos Termodinâmicos – As leis da termodinâmica se aplicam principalmente a processos termodinâmicos, quando um sistema termodinâmico passa por algum tipo de transferência energética.

Desenvolvimento das Leis da Termodinâmica

O estudo do calor como uma forma distinta de energia começou em aproximadamente 1798, quando Sir Benjamin Thompson (também conhecido como Conde Rumford), um engenheiro militar britânico, percebeu que o calor podia ser gerado em proporção à quantidade de trabalho feito … conceito que acabaria por se tornar uma consequência da primeira lei da termodinâmica.

O físico francês Sadi Carnot formulou pela primeira vez um princípio básico da termodinâmica em 1824. Os princípios que Carnot usou para definir seu motor térmico de ciclo de Carnot acabariam se traduzindo na segunda lei da termodinâmica pelo físico alemão Rudolf Clausius, que também é frequentemente creditado com a formulação. da primeira lei da termodinâmica.

Parte da razão para o rápido desenvolvimento da termodinâmica no século XIX foi a necessidade de desenvolver motores a vapor eficientes durante a revolução industrial.

Teoria Cinética e as Leis da Termodinâmica

As leis da termodinâmica não se preocupam particularmente com o como e o porquê da transferência de calor, o que faz sentido para leis que foram formuladas antes que a teoria atômica fosse totalmente adotada.

Eles lidam com a soma total de transições de energia e calor dentro de um sistema e não levam em conta a natureza específica da transferência de calor no nível atômico ou molecular.

A Lei de Zeroeth da Termodinâmica

Esta lei zero é uma espécie de propriedade transitiva do equilíbrio térmico. A propriedade transitiva da matemática diz que, se A = B e B = C, então A = C. O mesmo vale para os sistemas termodinâmicos que estão em equilíbrio térmico.

Uma consequência da lei do zero é a ideia de que medir a temperatura tem algum significado. Para medir a temperatura, o equilíbrio térmico deve ser alcançado entre o termômetro como um todo, o mercúrio dentro do termômetro e a substância a ser medida. Isso, por sua vez, resulta em ser capaz de dizer com precisão qual é a temperatura da substância.

Esta lei foi entendida sem ser explicitamente declarada em grande parte da história do estudo da termodinâmica, e só se percebeu que era uma lei em si no início do século XX.

Foi o físico britânico Ralph H. Fowler quem primeiro cunhou o termo “lei zeroeth”, baseado na crença de que era mais fundamental até do que as outras leis.

A primeira lei da termodinâmica

Embora isso possa parecer complexo, é realmente uma ideia muito simples. Se você adicionar calor a um sistema, existem apenas duas coisas que podem ser feitas – alterar a  energia interna do sistema ou fazer o sistema funcionar (ou, claro, alguma combinação dos dois). Toda a energia térmica deve entrar em ação.

Representação Matemática da Primeira Lei

Os físicos tipicamente usam convenções uniformes para representar as quantidades na primeira lei da termodinâmica. Eles são:

  • U 1 (ou  U i) = energia interna inicial no início do processo
  • U 2 (ou  U f) = energia interna final no final do processo
  • delta- U  =  U 2 –  U 1 = Mudança na energia interna (usada nos casos em que as especificidades das energias internas inicial e final são irrelevantes)
  • Q  = calor transferido para ( Q  > 0) ou fora de ( Q  <0) o sistema
  • W  =  trabalho realizado pelo sistema ( W  > 0) ou no sistema ( W  <0).

Isso produz uma representação matemática da primeira lei que se mostra muito útil e pode ser reescrita de duas formas úteis:

A análise de um  processo termodinâmico, pelo menos dentro de uma situação de sala de aula de física, geralmente envolve a análise de uma situação em que uma dessas grandezas é 0 ou, pelo menos, controlável de uma maneira razoável.

Por exemplo, em um processo adiabático, a transferência de calor ( Q ) é igual a 0, enquanto que em um  processo isocórico o trabalho ( W ) é igual a 0.

A primeira lei e conservação de energia

A  primeira lei da termodinâmica é vista por muitos como a base do conceito de conservação de energia. Basicamente diz que a energia que entra em um sistema não pode ser perdida ao longo do caminho, mas tem que ser usada para fazer alguma coisa … neste caso, ou mude energia interna ou execute trabalho.

De acordo com essa visão, a primeira lei da termodinâmica é um dos conceitos científicos mais abrangentes já descobertos.

A segunda lei da termodinâmica

Segunda Lei da Termodinâmica: A segunda lei da termodinâmica é formulada de várias maneiras, como será abordado em breve, mas é basicamente uma lei que – diferentemente da maioria das outras leis da física – não trata de como fazer algo, mas trata inteiramente da colocação de uma restrição sobre o que pode ser feito.

É uma lei que diz que a natureza nos impede de obter certos tipos de resultados sem colocar muito trabalho nela, e como tal também está intimamente ligada ao  conceito de conservação de energia, assim como a primeira lei da termodinâmica é.

Em aplicações práticas, esta lei significa que qualquer  motor térmico  ou dispositivo similar baseado nos princípios da termodinâmica não pode, mesmo em teoria, ser 100% eficiente.

Este princípio foi iluminado pela primeira vez pelo físico e engenheiro francês Sadi Carnot, enquanto desenvolvia seu   motor de ciclo de Carnot em 1824, e mais tarde foi formalizado  como uma lei da termodinâmica  pelo físico alemão Rudolf Clausius.

Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica é talvez a mais popular fora do reino da física porque está intimamente relacionada ao conceito de entropia ou à desordem criada durante um processo termodinâmico. Reformulada como uma declaração sobre a entropia, a segunda lei diz:

Em qualquer sistema fechado, em outras palavras, cada vez que um sistema passa por um processo termodinâmico, o sistema nunca pode retornar completamente ao mesmo estado em que estava antes.

Esta é uma definição usada para a flecha do tempo, uma vez que a entropia do universo sempre aumentará com o tempo de acordo com a segunda lei da termodinâmica.

Outras formulações da segunda lei

Uma transformação cíclica cujo único resultado final é transformar o calor extraído de uma fonte que está na mesma temperatura durante todo o trabalho é impossível. – O físico escocês William Thompson (Uma transformação cíclica cujo único resultado final é transferir calor de um corpo a uma determinada temperatura para um corpo a uma temperatura mais alta é impossível.) – O físico alemão Rudolf Clausius

Todas as formulações acima da Segunda Lei da Termodinâmica são declarações equivalentes do mesmo princípio fundamental.

A terceira lei da termodinâmica

A terceira lei da termodinâmica é essencialmente uma afirmação sobre a capacidade de criar uma   escala de temperatura absoluta, para a qual o zero absoluto é o ponto no qual a energia interna de um sólido é precisamente 0.

Várias fontes mostram as seguintes três formulações potenciais da terceira lei da termodinâmica:

  1. É impossível reduzir qualquer sistema a zero absoluto em uma série finita de operações.
  2. A entropia de um cristal perfeito de um elemento em sua forma mais estável tende a zero à medida que a temperatura se aproxima do zero absoluto.
  3. À medida que a temperatura se aproxima do zero absoluto, a entropia de um sistema se aproxima de uma constante

O que a terceira lei significa

A terceira lei significa algumas coisas e, novamente, todas essas formulações resultam no mesmo resultado, dependendo de quanto você leva em consideração:

A Formulação 3 contém as restrições mínimas, limitando-se a afirmar que a entropia vai para uma constante. De fato, essa constante é de zero entropia (conforme indicado na formulação 2).

No entanto, devido a restrições quânticas em qualquer sistema físico, ele entrará em colapso em seu estado quântico mais baixo, mas nunca será capaz de reduzir perfeitamente a 0 entropia, portanto é impossível reduzir um sistema físico a zero absoluto em um número finito de etapas nos rende formulação 1).






Para enviar seu comentário, preencha os campos abaixo:

Deixe uma resposta

*

Seja o primeiro a comentar!

Por gentileza, se deseja alterar o arquivo do rodapé,
entre em contato com o suporte.

Ao continuar a usar o site, você concorda com o uso de cookies. Mais Informações

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close