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Usina Nuclear Isar, Alemanha

Piscina de combustível nuclear usado

Turbina de uma usina nuclear

Termodinâmica

Termodinâmica

O estudo da termodinâmica é o ramo da física clássica que estuda e descreve as transformações termodinâmicas induzidas pelo calor e pelo trabalho em um sistema termodinâmico. Essas transformações são o resultado de processos que envolvem mudanças nas variáveis ​​do estado de temperatura e energia no nível macroscópico.

A termodinâmica clássica baseia-se no conceito de sistema macroscópico, ou seja, uma porção de massa fisicamente ou conceitualmente separada do ambiente externo, que geralmente é assumido por conveniência que não é perturbada pela troca de energia com o sistema.

O estado de um sistema macroscópico que está em condições de equilíbrio é especificado por quantidades chamadas variáveis ​​termodinâmicas ou funções de estado, como temperatura, pressão, volume e composição química. As principais notações em termodinâmica química foram estabelecidas pela União Internacional de Química Pura e Aplicada.

No entanto, existe um ramo da termodinâmica, chamado termodinâmica sem equilíbrio, que estuda processos termodinâmicos caracterizados pela incapacidade de alcançar condições de equilíbrio estáveis.

Quais são as leis da termodinâmica?

Os princípios da termodinâmica foram enunciados durante o século XIX e regulam as transformações termodinâmicas, seu progresso, seus limites. São axiomas reais, não comprovados e não comprováveis, baseados na experiência, nos quais toda a teoria da termodinâmica se baseia.

Podemos distinguir três princípios básicos, além de um princípio "zero" que define a temperatura e que está implícito nos outros três.

Lei zero da termodinâmica

Quando dois sistemas em interação estão em equilíbrio térmico, eles compartilham algumas propriedades que podem ser medidas, fornecendo um valor numérico preciso. Como resultado, quando dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terço, eles estão em equilíbrio um com o outro e a propriedade compartilhada é a temperatura. O princípio zero da termodinâmica simplesmente diz que se um corpo "A" está em equilíbrio térmico com um corpo "B" e "B" está em equilíbrio térmico com um corpo "C", então "A" e "C" são em equilíbrio de equilíbrio térmico entre eles.

Esse princípio explica o fato de que dois corpos em temperaturas diferentes, entre os quais o calor é trocado (mesmo que esse conceito não esteja presente no princípio zero), acabam atingindo a mesma temperatura.

No princípio da formulação cinética zero da termodinâmica, existe uma tendência a chegar a uma energia cinética média comum dos átomos e moléculas dos corpos entre os quais transporta a troca de calor: em média, como resultado de colisões de partículas corporais Mais quente, em média, mais rápido, com partículas corporais mais frias, em média mais lento, haverá energia passando do primeiro ao segundo, tendendo a temperaturas iguais. A eficiência da troca de energia determina aquecimentos específicos dos elementos envolvidos.

Primeira lei da termodinâmica

Quando um corpo entra em contato com um corpo relativamente mais frio, ocorre uma transformação que leva a um estado de equilíbrio no qual as temperaturas dos dois corpos são iguais, aumentando a transferência de energia entre o corpo quente e o corpo frio .

Para explicar esse fenômeno, os cientistas do século XVIII assumiram que uma substância presente em maiores quantidades no corpo mais quente passava para o corpo mais frio.

Essa substância hipotética, chamada calórica, era vista como um fluido capaz de se mover através da massa chamada matéria inadequadamente. O primeiro princípio da termodinâmica identifica o calor como uma forma de energia que pode ser convertida em trabalho mecânico e armazenada, mas que não é uma substância material.

Foi demonstrado experimentalmente que o calor, originalmente medido em calorias, e o trabalho ou energia, medidos em joules, são realmente equivalentes. Cada caloria é equivalente a aproximadamente 4.186 joules.

O primeiro princípio é, portanto, um princípio de conservação de energia. Em cada mecanismo térmico ou térmico, uma certa quantidade de energia é transformada em trabalho: não pode haver nenhuma máquina que produza trabalho sem consumir energia. Uma máquina semelhante, se existisse, produziria de fato o chamado movimento perpétuo da primeira espécie.

O primeiro princípio é tradicionalmente estabelecido como:

A variação da energia interna de um sistema termodinâmico fechado é igual à diferença entre o calor fornecido ao sistema e o trabalho realizado pelo sistema no ambiente.

A formulação matemática correspondente é expressa como:

ΔU = Q - L

onde U é a energia interna do sistema, Q o calor fornecido ao sistema e L o trabalho realizado pelo sistema.

Energia interna significa a soma das energias cinéticas e a interação das diferentes partículas em um sistema. Q é o calor trocado entre o ambiente e o sistema (positivo se for fornecido ao sistema, negativo se for transferido pelo sistema) e L o trabalho realizado (positivo se o sistema o fizer no ambiente, negativo se o ambiente o fizer) o sistema).

A convenção de sinais é influenciada pelo vínculo com o estudo de motores térmicos, no qual o calor é transformado (parcialmente) em trabalho.

As formulações alternativas e equivalentes do primeiro princípio são:

  • Para um sistema aberto, qw =? E onde? E é destinado à variação da energia total, que nada mais é do que a soma das mudanças na energia interna, na energia cinética e na energia potencial que esse sistema possui. Vemos que, para um sistema fechado, as variações de energia cinética e potencial são nulas e, portanto, nos referimos à relação anterior.
  • Para um ciclo termodinâmico, q = w, uma vez que a variação total de energia é zero, tendo o sistema, no final de cada ciclo, novamente nas mesmas condições de partida.

Segunda lei da termodinâmica

Existem várias afirmações do segundo princípio, todas equivalentes, e cada uma das formulações enfatiza um aspecto particular. Afirma que "é impossível realizar uma máquina cíclica cujo único resultado é a transferência de calor de um corpo frio para outro quente" (declaração Clausius) ou, equivalente, que "é impossível realizar uma transformação cujo resultado é apenas o de converter o calor extraído de uma única fonte em trabalho mecânico "(afirmação de Kelvin).

Esta última limitação nega a possibilidade de fazer o chamado movimento perpétuo da segunda espécie. Entropia L 'o total de um sistema isolado permanece inalterado quando ocorre uma transformação reversível e aumenta quando ocorre uma transformação irreversível.

Terceira lei da termodinâmica

Está intimamente relacionado ao último e, em alguns casos, é considerado uma conseqüência do último. Pode-se afirmar dizendo que "é impossível alcançar o zero absoluto com um número finito de transformações" e fornece uma definição precisa da quantidade chamada entropia.

Ele também afirma que a entropia para um sólido perfeitamente cristalino, a uma temperatura de 0 kelvin é igual a 0. É fácil explicar essa afirmação através da termodinâmica molecular: um sólido perfeitamente cristalino é composto de um único complexo (são todos os modos de organizar as moléculas, se as moléculas são todas iguais, independentemente da forma como estão dispostas, macroscopicamente o cristal é sempre o mesmo) e, sendo 0 kelvin, a energia da vibração, translação e rotação das partículas que o compõem compor nada é, portanto, da lei de Boltzmann S = k ln (1) = 0 onde 1 são os complexos (neste caso, apenas um).

História da termodinâmica

Sadi Carnot, em 1824, foi o primeiro a demonstrar que o trabalho pode ser obtido a partir da troca de calor entre duas fontes a diferentes temperaturas. Através do teorema de Carnot e da máquina ideal de Carnot (baseada no ciclo de Carnot), ele quantificou este trabalho e introduziu o conceito de eficiência termodinâmica.

Em 1848, Lord Kelvin, usando a máquina de Carnot, introduziu o conceito de temperatura termodinâmica efetiva e é responsável por uma declaração do segundo princípio da termodinâmica.

Em 1850, James Prescott Joule demonstrou a igualdade das duas formas de energia (acreditava-se que ainda existia líquido calórico).

Chegando a isso, surgiu o problema de que, se fosse possível obter o calor total do trabalho, não seria possível obter o inverso. Esse resultado também desembarcou Clausius, que em 1855 apresenta sua desigualdade em reconhecer processos reversíveis do irreversível e estado da função da entropia.

Em 1876, Willard Gibbs publicou o tratado "Sobre o balanço de substâncias heterogêneas" (Sobre o balanço de substâncias heterogêneas), que mostrava como um processo termodinâmico poderia ser representado graficamente e como estudar energia, entropia, volume, temperatura e temperatura. a pressão poderia prever a eventual espontaneidade do processo considerado.

O caso da termodinâmica é emblemático na história e na epistemologia da ciência: é um daqueles casos em que a prática foi pioneira na própria teoria: o primeiro foi projetado para o motor a vapor e, em seguida, seu funcionamento teórico foi sistematizado através de seus princípios básicos.

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Autor:

Data de publicação: 7 de março de 2018
Última revisão: 31 de março de 2020