Usina Nuclear Isar, Alemanha

Piscina de combustível nuclear usado

Turbina de uma usina nuclear

Termodinâmica

Termodinâmica

A termodinâmica é o ramo da física clássica que estuda e descreve as transformações termodinâmicas induzidas pelo calor e trabalha em um sistema termodinâmico, como resultado de processos que envolvem mudanças nas variáveis de temperatura e energia.

A termodinâmica clássica baseia-se no conceito de sistema macroscópico, ou seja, uma porção de massa física ou conceitualmente separada do ambiente externo, que é muitas vezes assumida 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 denominadas variáveis termodinâmicas ou funções estatais, 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, há um ramo da termodinâmica, denominado termodinâmica do não equilíbrio que estuda os processos termodinâmicos caracterizados pela incapacidade de alcançar condições de equilíbrio estáveis.

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 prováveis, com base na experiência, sobre a qual toda a teoria da termodinâmica se baseia.

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

Lei zero da termodinâmica

Quando dois sistemas de interação estão em equilíbrio térmico, eles compartilham algumas propriedades, que podem ser medidas, o que lhes dá um valor numérico preciso. Como resultado, quando dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terceiro, 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.

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

No princípio de formulação zero cinética da termodinâmica é uma tendência para chegar a uma energia cinética média comum dos átomos e moléculas dos corpos entre os quais leva à troca de calor: em média, como resultado das colisões das partículas do corpo mais quente, em média, mais rápido, com as partículas do corpo mais frio, em média mais lento, haverá energia que vai do primeiro ao segundo, tendendo a temperaturas iguais. A eficiência da troca de energia determina os efeitos específicos dos elementos envolvidos.

Primeira lei da termodinâmica

Quando um corpo é colocado em contato com um corpo relativamente frio, ocorre uma transformação que leva a um estado de equilíbrio em que as temperaturas dos dois corpos são iguais. Para explicar este fenômeno, cientistas do século XVIII assumiram que uma substância, presente em maiores quantidades no corpo mais quente, passou para o corpo mais frio.

Esta substância hipotética, chamada calorias, foi pensada como um fluido capaz de se mover através da massa, designadamente chamada de matéria. O primeiro princípio da termodinâmica identifica o calor como uma forma de energia que pode ser convertida em trabalho mecânico e armazenada, mas essa não é uma substância material. Foi demonstrado experimentalmente que o calor, originalmente medido em calorias e trabalho ou energia, medido em joules, é realmente equivalente. Cada calorias é equivalente a aproximadamente 4,186 joules.

O primeiro princípio é, portanto, um princípio de conservação da energia. Em cada máquina térmica ou motor térmico, uma certa quantidade de energia é transformada em trabalho: não pode haver máquina que produza trabalho sem energia. Uma máquina similar, se existisse, produziria 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 de 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 faz no ambiente, negativo se o ambiente o fizer o sistema). A convenção de sinais é influenciada pelo vínculo com o estudo de motores térmicos, em que o calor é (parcialmente) transformado 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 não é mais que a soma das mudanças na energia interna, a energia cinética e a energia potencial que esse sistema possui. Nós vemos que, para um sistema fechado, as variações da energia cinética e potencial são zero e, portanto, nos referimos à relação anterior.
  • Para um ciclo termodinâmico, q = w, uma vez que a variação de energia total é zero, o sistema que, no final de cada ciclo, tem novamente nas mesmas condições de partida.

Segunda lei da termodinâmica

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

Esta última limitação nega a possibilidade de realizar o chamado movimento perpétuo da segunda espécie. L 'entropia, 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 com o último e, em alguns casos, é considerado uma conseqüência do último. Pode-se afirmar dizendo que "é impossível alcançar zero absoluto com um número finito de transformações" e fornece uma definição precisa da magnitude 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 esta afirmação através da termodinâmica molecular: um sólido perfeitamente cristalino é composto de um único complexo (Todos eles são maneiras para organizar as moléculas, se as moléculas são todas iguais, independentemente da maneira como elas estão dispostas, macroscopicamente o cristal é sempre o mesmo) e, a 0 kelvin, a energia de vibração, tradução e rotação das partículas que não é composto, portanto, da lei de Boltzmann S = k ln (1) = 0 onde 1 são os complexos (neste caso, apenas um).

História da termodinâmica

Foi Sadi Carnot, em 1824, 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 (baseado no ciclo de Carnot), ele quantificou este trabalho e introduziu o conceito de eficiência termodinâmica.

Em 1848, Lord Kelvin, usando a máquina 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 (então acreditava-se que o líquido calórico ainda existia).

Tendo chegado a isso, surgiu o problema de que, se fosse possível obter o calor total do trabalho, não teria sido possível obter o inverso. Este resultado também desembarcou Clausius que em 1855 apresentou sua desigualdade para reconhecer processos reversíveis da função irreversível e estatal da entropia.

Em 1876, Willard Gibbs publicou o tratado "Sobre o equilíbrio de substâncias heterogêneas" (sobre o equilíbrio de substâncias heterogêneas) que mostrava como um processo termodinâmico poderia ser representado graficamente e como estudar dessa forma energia, entropia, volume, temperatura e 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 desses casos em que a prática tem sido pioneira na própria teoria: a primeira é projetada para a máquina a vapor, abaixo , seu funcionamento teórico foi sistematizado através de seus princípios básicos.

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Última revisão: 7 de março de 2018

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