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, ou seja, uma porção de massa fisicamente ou conceitualmente separada do ambiente externo, muitas vezes considerada 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.
No entanto, existe um ramo da termodinâmica, chamado termodinâmica de não-equilíbrio, que estuda os processos termodinâmicos caracterizados pela incapacidade de atingir condições de equilíbrio estáveis.
Leis clássicas 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, sobre os quais se baseia toda a teoria da termodinâmica.
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 em interação 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.
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" estão em equilíbrio térmico. equilíbrio equilíbrio entre eles.
Esse princípio explica o fato de dois corpos com temperaturas diferentes, entre os quais há troca de calor (mesmo que esse conceito não esteja presente no princípio zero), acabem atingindo a mesma temperatura.
Primeira Lei da Termodinâmica
A primeira lei da termodinâmica clássica, também conhecida como princípio da conservação da 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 em outra.
A formulação matemática da primeira lei da termodinâmica é:
ΔU = Q - W
onde ΔU representa a mudança na energia interna do sistema, Q é o calor transferido para o sistema do ambiente e W é o trabalho realizado pelo sistema no ambiente.
Esta equação indica que qualquer mudança na energia interna de um sistema é devida à transferência de calor e ao trabalho realizado. Se Q for positivo, significa que o 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, indica que o sistema realiza trabalho sobre o ambiente e, se for negativo, o ambiente realiza trabalho sobre o sistema.
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 seja a transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente" (afirmação de Clausius) ou, equivalentemente, que "é impossível realizar uma transformação cujo resultado seja apenas a de 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. L ' 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 meio de 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 perfeitamente cristalino e puro é zero quando a temperatura atinge o zero absoluto. A 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. Aqui estão algumas das áreas onde a termodinâmica clássica é amplamente utilizada:
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Engenharia de energia: A termodinâmica clássica é essencial para o projeto e otimização de sistemas de geração de energia, como usinas elétricas, 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.
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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. Ele permite a análise de equilíbrios químicos, cálculos de transferência de calor e otimização de processos.
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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 refrigeração.
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Ciência dos Materiais: A termodinâmica clássica é usada para estudar as propriedades dos materiais em diferentes estados termodinâmicos, como as fases sólida, líquida e gasosa. Ele ajuda a prever a estabilidade de fase, transições de fase e propriedades de equilíbrio, como pressão de vapor e solubilidade.
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Estudo do equilíbrio químico: A termodinâmica clássica é fundamental para entender o equilíbrio químico e o comportamento das reações químicas. Permite determinar se uma reação é espontânea ou não e fornece informações sobre o desempenho termodinâmico de processos químicos.
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Pesquisa Atmosférica e Climática: A termodinâmica clássica é aplicada no estudo da atmosfera, clima e fenômenos meteorológicos. Ajuda a entender os processos de transferência de calor na atmosfera, formação de nuvens e radiação solar.