O estudo da termodinâmica é o ramo da física que estuda e descreve as transformações termodinâmicas induzidas por 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 macrosópico.
A termodinâmica clássica é baseada no conceito de um sistema macroscópico, ou seja, uma porção da massa física ou conceitualmente separada do ambiente externo, que muitas vezes é assumido por conveniência que não é perturbado 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, denominado termodinâmica de não equilíbrio, que estuda os processos termodinâmicos caracterizados pela incapacidade de atingir 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 improváveis, baseados na experiência, nos quais se baseia toda a teoria da termodinâmica.
Podemos distinguir três princípios básicos, mais 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 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" estão em equilíbrio térmico equilíbrio equilíbrio entre eles.
Esse princípio explica o fato de que dois corpos em temperaturas diferentes, entre os quais há troca de calor (mesmo que esse conceito não esteja presente no princípio zero) acabem atingindo a mesma temperatura.
No princípio da formulação zero cinética da termodinâmica há uma tendência de atingir uma energia cinética média comum dos átomos e moléculas dos corpos entre os quais conduz a troca de calor: em média, como resultado de colisões de partículas do corpo mais quentes, em média, mais rápido , com partículas corporais mais frias, em média mais lentas, haverá energia indo da primeira para a segunda, tendendo a temperaturas iguais. A eficiência da troca de energia determina calores específicos dos elementos envolvidos.
Primeira Lei da Termodinâmica
Quando um corpo é colocado 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 presumiram que uma substância, presente em maiores quantidades no corpo mais quente, passava para o corpo mais frio.
Essa substância hipotética, chamada calórica, era considerada um fluido capaz de se mover através de uma massa chamada indevidamente 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 não é uma substância material.
Calor, originalmente medido em calorias, e trabalho ou energia, medido em joules, mostraram-se experimentalmente equivalentes. Cada caloria equivale a aproximadamente 4.186 joules.
O primeiro princípio é, portanto, um princípio de conservação de energia. Em cada máquina de calor ou máquina de calor, uma certa quantidade de energia é transformada em trabalho: não pode haver máquina que produza trabalho sem consumir energia. Uma máquina semelhante, se existisse, produziria de fato o chamado movimento perpétuo do primeiro tipo.
O primeiro princípio é tradicionalmente declarado 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 é o calor fornecido ao sistema e L é o trabalho realizado pelo sistema.
Energia interna significa a soma das energias cinéticas e a interação das diferentes partículas em um sistema. Q es el calor intercambiado entre el ambiente y el sistema (positivo si se suministra al sistema, negativo si es transferido por el sistema) y L el trabajo realizado (positivo si el sistema lo realiza en el ambiente, negativo si lo hace el ambiente en o sistema).
A convenção do sinal é influenciada pela ligação com o estudo das máquinas térmicas, nas quais 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 atribuído à variação da energia total, que nada mais é do que a soma das mudanças na energia interna, é a energia cinética e a energia potencial que este sistema possui. 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 total da energia é zero, o sistema tem, ao final de cada ciclo, novamente sob as mesmas condições iniciais.
Segunda lei da termodinâmica
Existem várias declarações do segundo princípio, todas equivalentes, e cada uma das formulações enfatiza um aspecto particular. Afirma que “é impossível realizar uma máquina cíclica que só resulte na transferência de calor de um corpo frio para um quente” (declaração de Clausius) ou, de forma equivalente, que “é impossível realizar uma transformação cujo resultado é apenas 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 da segunda espécie. L 'entropia o total de um sistema isolado permanece inalterado quando uma transformação reversível ocorre e aumenta quando uma transformação irreversível ocorre.
Terceira lei da termodinâmica
Está intimamente relacionado a este último e, em alguns casos, é considerado uma consequência deste último. Pode-se afirmar dizendo que "é impossível chegar ao 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 por meio da termodinâmica molecular: um sólido perfeitamente cristalino é composto de um único complexo (São todas formas 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 de vibração, translação e rotação das partículas que os compõem não é nada, 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 mostrar que o trabalho pode ser obtido a partir da troca de calor entre duas fontes em temperaturas diferentes. 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 o motor 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 (então se acreditava que o líquido calórico ainda existia).
Tendo chegado a isto, levantou-se o problema de que, se fosse possível obter o calor total de trabalho, não teria sido possível obter o inverso. Esse resultado também levou Clausius que em 1855 apresentou sua desigualdade para reconhecer processos reversíveis do irreversível e estado da função 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 pressão poderiam prever a eventual espontaneidade do processo em consideração.
O caso da termodinâmica é emblemático na história e na 'epistemologia da ciência: é um daqueles casos em que a própria prática foi pioneira na teoria: a primeira se destina à máquina a vapor, depois seu funcionamento teórico foi sistematizado por meio de seus princípios básicos .
O que é termodinâmica química?
Termodinâmica química é o estudo da inter-relação entre calor e trabalho com reações químicas ou com mudanças físicas de estado dentro dos limites das leis da termodinâmica.
