O estudo da termodinâmica é o ramo da física que estuda e descreve as transformações termodinâmicas induzidas pelo calor e trabalho em um sistema termodinâmico. Essas transformações são o resultado de processos que envolvem mudanças nas variáveis de estado de temperatura e energia no nível macroscópico.
A termodinâmica clássica é baseada no conceito de um sistema macroscópico, isto é, uma porção de massa física ou conceitualmente separada do ambiente externo, que muitas vezes é assumida por conveniência como não 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.
Entretanto, existe um ramo da termodinâmica, chamado termodinâmica de não equilíbrio, que estuda processos termodinâmicos caracterizados pela incapacidade de atingir condições de equilíbrio estáveis.
O que a termodinâmica clássica estuda?
A termodinâmica clássica se concentra no estudo de sistemas macroscópicos em equilíbrio, usando propriedades mensuráveis e observáveis. Este ramo é baseado em princípios fundamentais como a conservação de energia e as leis que regem as transformações térmicas.
Além da termodinâmica clássica, existem outros ramos que complementam seu estudo:
- Física Estatística : Relaciona as propriedades microscópicas das partículas (átomos e moléculas) com as propriedades macroscópicas observáveis, fornecendo uma interpretação microscópica dos conceitos termodinâmicos.
- Termodinâmica Química : Aplica os princípios da termodinâmica ao estudo de reações químicas e mudanças de fase, analisando como a energia e a entropia influenciam a direção e o equilíbrio dos processos químicos.
- Termodinâmica de equilíbrio : concentra-se em sistemas que atingem um estado de equilíbrio termodinâmico, analisando as condições sob as quais ocorrem transferências de matéria e energia nesses sistemas.
- Termodinâmica de não equilíbrio : estuda sistemas que não estão em equilíbrio termodinâmico, abordando processos irreversíveis e flutuações que ocorrem fora do equilíbrio.
Leis da termodinâmica clássica
Os princípios da termodinâmica foram enunciados durante o século XIX e regulam as transformações termodinâmicas, seu progresso e seus limites. São axiomas reais, não comprovados e não demonstráveis, 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 está implícito nos outros três.
Lei zero da termodinâmica
Quando dois sistemas interagindo estão em equilíbrio térmico, eles compartilham algumas propriedades que podem ser medidas, dando-lhes um valor numérico preciso. Como resultado, quando dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles estão em equilíbrio entre si e a propriedade compartilhada é a temperatura.
A lei zero da termodinâmica afirma simplesmente 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" estão em equilíbrio térmico um com o outro.
Este princípio explica o fato de que dois corpos em temperaturas diferentes, entre os quais há troca de calor (mesmo que este conceito não esteja presente no princípio zero) acabam atingindo a mesma temperatura.
Primeira lei da termodinâmica
A primeira lei da termodinâmica clássica, também conhecida como princípio da conservação de energia, afirma que a energia total de um sistema isolado é conservada. Em outras palavras, a energia não pode ser criada ou destruída, ela só pode ser transformada de uma forma para outra.
A formulação matemática da primeira lei da termodinâmica é:
\[\Delta U = Q - W\]
onde ΔU representa a variação na energia interna do sistema, Q é o calor transferido para o sistema do ambiente e W é o trabalho realizado pelo sistema sobre o ambiente.
Esta equação indica que qualquer mudança na energia interna de um sistema é devido à transferência de calor e ao trabalho realizado. Se Q for positivo, significa que calor está sendo fornecido ao sistema, enquanto se for negativo, o sistema está liberando calor para o ambiente. Da mesma forma, se W for positivo, isso indica que o sistema realiza trabalho sobre o ambiente, e se for negativo, o ambiente realiza trabalho sobre o sistema.
Segunda lei da termodinâmica
Há várias afirmações do segundo princípio, todas equivalentes, e cada formulação enfatiza um aspecto particular. Ela afirma que "é impossível realizar uma máquina cíclica que tenha como único resultado a transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente" (declaração de Clausius) ou, equivalentemente, que "é impossível realizar uma transformação cujo único resultado seja converter o calor extraído de uma única fonte em trabalho mecânico" (declaração de Kelvin).
Esta última limitação nega a possibilidade de realizar o chamado movimento perpétuo de segunda espécie. A entropia total de um sistema isolado permanece inalterada quando ocorre uma transformação reversível e aumenta quando ocorre uma transformação irreversível.
Terceira lei da termodinâmica
A terceira lei da termodinâmica clássica afirma que é impossível atingir o zero absoluto (0 Kelvin) por um número finito de transformações termodinâmicas. Esta lei foi formulada por Walther Nernst em 1906.
Em termos mais precisos, a terceira lei afirma que a entropia de um sistema puro e perfeitamente cristalino é zero quando a temperatura atinge o zero absoluto. Entropia é uma medida da desordem ou aleatoriedade de um sistema, e a terceira lei afirma que, à medida que a temperatura se aproxima do zero absoluto, a entropia do sistema também se aproxima de zero.
Aplicações da termodinâmica clássica
A termodinâmica clássica tem uma ampla gama de aplicações práticas. Abaixo estão algumas das áreas onde a termodinâmica clássica é amplamente utilizada:
- Engenharia de energia: A termodinâmica clássica é essencial para o projeto e a otimização de sistemas de geração de energia, como usinas de energia, turbinas a gás, motores de combustão interna e sistemas de energia renovável. Ajuda a entender a eficiência energética, os ciclos termodinâmicos e a transferência de calor nesses sistemas.
- Engenharia Química: A termodinâmica clássica é crucial para o projeto e operação de processos químicos, incluindo produção química, refino de petróleo, síntese de materiais e produção de alimentos. Permite a análise de equilíbrios químicos, cálculos de transferência de calor e otimização de processos.
- Refrigeração e Ar Condicionado: A termodinâmica clássica é essencial para entender os ciclos de refrigeração e sistemas de ar condicionado. Auxilia no projeto de sistemas de refrigeração, na seleção de refrigerantes e no cálculo da capacidade de resfriamento.
- Ciência dos Materiais: A termodinâmica clássica é usada para estudar as propriedades dos materiais em diferentes estados termodinâmicos, como sólido, líquido e gasoso. Ajuda a prever a estabilidade de fase, transições de fase e propriedades de equilíbrio, como pressão de vapor e solubilidade.
- Estudo do equilíbrio químico: A termodinâmica clássica é fundamental para entender o equilíbrio químico e o comportamento das reações químicas. Ela permite determinar se uma reação é espontânea ou não e fornece informações sobre o desempenho termodinâmico de processos químicos.
- Pesquisa atmosférica e climática: A termodinâmica clássica é aplicada no estudo da atmosfera, do clima e dos fenômenos meteorológicos. Ajuda a entender os processos de transferência de calor na atmosfera, formação de nuvens e radiação solar.