Termodinâmica
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A Termodinâmica é a parte da Termologia (Física) que estuda os fenômenos relacionados com trabalho, energia, calor e entropia, e as leis que governam os processos de conversão de energia. Apesar de todos nós termos um sentimento do que é energia, é muito difícil elaborar uma definição precisa para ela. Na verdade a Física aceita a energia como conceito primitivo, sem definição, ou seja, apenas caracterizando-a.
É bastante conhecido o fato de que uma substância é constituída de um conjunto de partículas denominadas de moléculas. As propriedades de uma substância dependem, naturalmente, do comportamento destas partículas.
A partir de uma visão macroscópica para o estudo do sistema, que não requer o conhecimento do comportamento individual destas partículas, desenvolveu-se a chamada termodinâmica clássica. Ela permite abordar de uma maneira fácil e direta a solução de nossos problemas. Uma abordagem mais elaborada, baseada no comportamento médio de grandes grupos de partículas, é chamada de termodinâmica estatística.
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[editar] Processos
Sempre que uma ou mais propriedades de um sistema varia, diz-se que ocorreu uma mudança de estado. O caminho através de sucessivos estados pelo qual passa o sistema é definido como processo. Um processo de quase-equilíbrio (quasi-estático) é aquele em que o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal, e todos os estados pelo qual o sistema passa pode ser considerado como estados de equilíbrio. Muitos processos reais podem ser aproximados com precisão pelo processo de quase-equilíbrio.
[editar] Princípios da Termodinâmica
De acordo com o princípio da Conservação da Energia, a energia não pode ser criada nem destruída, mas somente transformada de uma espécie em outra. O primeiro princípio da Termodinâmica estabelece uma equivalência entre o trabalho e o calor trocados entre um sistema e seu meio exterior.
Consideremos um sistema recebendo uma certa quantidade de calor Q. Parte desse calor foi utilizado para realizar um trabalho W e o restante provocou um aumento na sua energia interna U.
A expressão Q = U + W
Representa analíticamente o primeiro princípio da termodinâmica cujo enunciado pode ser:
A variação da energia interna de um sistema é igual à diferença entre o calor e o trabalho trocados pelo sistema com o meio exterior. Ela também pode ser representada pela fórmula U = 3/2 .n.R.(Tf - Ti), onde n é o número de mols do gás, R é a constante dos gases, Tf a temperatura final e Ti a temperatura inicial do gás.
Para a aplicação do primeiro princípio de Termodinâmica devem-se respeitar as seguintes convenções:
- Q > 0: calor recebido pelo sistema.
- Q < 0: calor cedido pelo sistema.
- W > 0: volume do sistema aumenta.
- W < 0: volume do sistema diminui.
- U > 0: temperatura do sistema aumenta.
- U < 0: temperatura do sistema diminui.
Uma forma fácil de saber o sinal sem ter que decorar essa tabela é usar as fórmulas. Por exemplo, na fórmula do trabalho t = p.(V2 - V1), se V2 > V1, o sinal do trabalho será positivo. Logo, quando o gás realiza trabalho sobre o meio (expansão), o sinal é positivo (volume aumenta). Podemos dizer que a energia interna do sistema é uma função de estado pois ela depende unicamente da temperatura do sistema. Se não há variação de temperatura a variação da energia interna é nula.
T2 - T1 = 0 => U2 - U1 = 0
[editar] Transformações termodinâmicas particulares
Transformação isotérmica: Como a temperatura do sistema se mantém constante, a variação da energia interna é nula.
Por exemplo, considere um gás sofrendo uma expansão isotérmica conforme mostra as figuras.
A quantidade de calor que o gás recebe é exatamente igual ao trabalho por ele realizado. A área sombreada sob a curva é numericamente igual ao trabalho realizado.
Transformação isométrica: como o volume do sistema se mantém constante, não há realização de trabalho.
Todo o calor trocado com o meio externo é transformado em variação da energia interna.
Se o sistema recebe calor:
- Q > 0 ⇒ U > 0: temperatura aumenta se o sistema recebe calor.
- Q < 0 ⇒ U < 0: temperatura diminui se o sistema cede calor.
Transformação isobárica: Numa transformação onde a pressão permanece constante, a temperatura e o volume são inversamente proporcionais, ou seja, quando a temperatura aumenta o volume diminui, pois ao expandir um gás necessita receber calor do meio para manter sua temperatura.
U > 0 ⇒ temperatura aumenta.
T < 0 ⇒ volume aumenta
Parte do calor que o sistema troca com o meio externo está relacionado com o trabalho realizado e o restante com a variação da energia interna do sistema.
Transformação adiabática: Nessa transformação, o sistema não troca calor com o meio externo; o trabalho realizado é graças à variação de energia interna.
Numa expansão adiabática, o sistema realiza trabalho sobre o meio e a energia interna diminui.
Expansão adiabática ocorre um abaixamento de temperatura.
Durante a compressão adiabática, o meio realiza trabalho sobre o sistema e a energia interna aumenta.
Ocorre uma elevação de temperatura.
Transformação Cíclica
Denomina-se transformação cíclica ou cilo de um sistema o conjunto de transformações sofridas pelo sistema de tal forma que seus estados final e inicial são iguais.
Como a temperatura final é igual à temperatura inicial, a energia interna do sistema não varia, havendo uma igualdade entre o calor e o trabalho trocados em cada ciclo.
Num diagrama p x V uma transformação cíclica é representada por uma curva fechada. A área interna do ciclo é numericamente igual ao trabalho total trocado com o meio exterior.
Quando o ciclo é percorrido no sentido horário, o sistema recebe calor e realiza trabalho; e no sentido anti-horário o sistema cede calor e recebe trabalho.
[editar] Termodinâmica
A termodinâmica permite determinar a direção na qual vários processos físicos e químicos irão ocorrer. Também permite determinar as relações entre as diversas propriedades de uma substância. Contudo ela não trabalha com modelos da microestrutura da substância, e não é capaz de fornecer detalhes dela, mas uma vez que alguns dados sejam conhecidos, através do método da termodinâmica clássica, outras propriedades podem ser determinadas.
[editar] Leis da Termodinâmica
A termodinâmica é baseada em leis estabelecidas experimentalmente:
- A Lei Zero da Termodinâmica determina que, quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles têm igualdade de temperatura entre si. Esta lei é a base para a medição de temperatura.
- A Primeira Lei da Termodinâmica fornece o aspecto quantitativo de processos de conversão de energia. É o princípio da conservação da energia e da conservação da massa, agora familiar, : "A energia do Universo é constante".
- A Segunda Lei da Termodinâmica determina o aspecto qualitativo de processos em sistemas físicos, isto é, os processos ocorrem numa certa direção mas não podem ocorrer na direção oposta. Enunciada por Clausius da seguinte maneira: "A entropia do Universo tende a um máximo".
- A Terceira Lei da Termodinâmica estabelece um ponto de referência absoluto para a determinação da entropia, representado pelo estado derradeiro de ordem molecular máxima e mínima energia. Enunciada como "A entropia de uma substância cristalina pura na temperatura zero absoluto é zero". É extremamente útil na análise termodinâmica das reações químicas, como a combustão, por exemplo.
