Explicamos quais são as leis da termodinâmica, qual a origem desses princípios e as principais características de cada um.
Quais são as leis da termodinâmica?
As leis da termodinâmica (ou princípios da termodinâmica) descrevem o comportamento de três quantidades físicas fundamentais, temperatura, energia e entropia, que caracterizam sistemas termodinâmicos. O termo “termodinâmica” vem do grego garrafa térmicaque significa “calor” e dínamosque significa “força”.
Matematicamente, esses princípios são descritos por um conjunto de equações que explicar o comportamento de sistemas termodinâmicosdefinido como qualquer objeto de estudo (desde uma molécula ou um ser humano, até a atmosfera ou água fervendo em uma panela).
Existem quatro leis da termodinâmica e são cruciais para a compreensão das leis físicas do universo e a impossibilidade de certos fenômenos como o movimento perpétuo.
Veja também: Princípio da conservação da energia
Origem das leis da termodinâmica
Os quatro princípios da termodinâmica têm origens diferentes, e alguns foram formulados a partir do anterior. A primeira a ser estabelecida, aliás, foi a segunda, obra do físico e engenheiro francês Nicolás Léonard Sadi Carnot em 1824.
No entanto, em 1860, esse princípio foi formulado novamente por Rudolf Clausius e William Thompson, adicionando então o que hoje chamamos de Primeira Lei da Termodinâmica. Mais tarde apareceu o terceiro, também conhecido como “postulado de Nerst” porque surgiu graças aos estudos de Walther Nernst entre 1906 e 1912.
Finalmente, a chamada “lei zero” apareceu em 1930, proposto por Guggenheim e Fowler. Deve-se dizer que nem em todas as áreas é reconhecida como uma verdadeira lei.
Primeira Lei da Termodinâmica
A primeira lei é chamada de “Lei de Conservação de Energia” porque determina que em qualquer sistema físico isolado de seus arredores, a quantidade total de energia será sempre a mesma, embora possa ser transformada de uma forma de energia para outra. Ou seja: a energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada.
Dessa forma, ao fornecer uma certa quantidade de calor (Q) a um sistema físico, sua quantidade total de energia pode ser calculada como o calor fornecido menos o trabalho (W) realizado pelo sistema em sua vizinhança. Expresso em uma fórmula: ΔU = Q – W.
Como exemplo dessa lei, imagine um motor de avião.. É um sistema termodinâmico que consiste em um combustível que, ao reagir quimicamente durante o processo de combustão, libera calor e realiza trabalho (que faz o avião se mover). Então: se pudéssemos medir a quantidade de trabalho realizado e calor liberado, poderíamos calcular a energia total do sistema e concluir que a energia no motor permaneceu constante durante o vôo: a energia não foi criada nem destruída, mas sim transformada em energia química em energia térmica e energia cinética (movimento, isto é, trabalho).
Segunda lei da termodinâmica
A segunda lei, também chamada de “Lei da Entropia”, pode ser resumida a quantidade de entropia no universo tende a aumentar com o tempo. Isso significa que o grau de desordem nos sistemas aumenta até atingir um ponto de equilíbrio, que é o estado de maior desordem do sistema.
Essa lei introduz um conceito fundamental na física: o conceito de entropia (representado pela letra S), que no caso de sistemas físicos representa o grau de desordem. Acontece que em cada processo físico em que há transformação de energia, uma certa quantidade de energia não é aproveitável, ou seja, não pode realizar trabalho. Se você não pode realizar trabalho, na maioria dos casos essa energia é calor. Esse calor que o sistema libera, o que ele faz é aumentar a desordem do sistema, sua entropia. A entropia é uma medida da desordem de um sistema.
A formulação desta lei estabelece que a mudança na entropia (dS) será sempre igual ou maior que a transferência de calor (dQ), dividido pela temperatura (T) do sistema. Em outras palavras, que: dS ≥ dQ / T.
Para entender isso com um exemplo, basta queimar uma certa quantidade de matéria e depois coletar as cinzas resultantes. Ao pesá-los, verificaremos que há menos matéria do que havia em seu estado inicial: parte da matéria foi convertida em calor na forma de gases que não podem realizar trabalho no sistema e que contribuem para sua desordem.
Terceira lei da termodinâmica
A terceira lei afirma que A entropia de um sistema que é levado ao zero absoluto será uma constante definida.. Dito em outras palavras:
- Ao atingir o zero absoluto (zero em unidades Kelvin), os processos dos sistemas físicos param.
- Ao atingir o zero absoluto (zero em unidades Kelvin), a entropia tem um valor mínimo constante.
É difícil chegar ao chamado zero absoluto no dia a dia (-273,15 °C), mas podemos pensar nessa lei analisando o que acontece em um freezer: a comida que ali depositamos ficará tão fria que os processos bioquímicos dentro dela diminuirão ou até mesmo pararão. É por isso que sua decomposição é retardada e ela ficará própria para consumo por muito mais tempo.
Lei zero da termodinâmica
A “lei zero” é conhecida por esse nome, embora tenha sido a última a ser postulada. Também conhecido como Lei do Equilíbrio Térmico, este princípio determina que: “Se dois sistemas estão em equilíbrio térmico independentemente com um terceiro sistema, eles também devem estar em equilíbrio térmico entre si.” Pode ser expresso logicamente da seguinte forma: se A = C e B = C, então A = B.
Esta lei nos permite comparar a energia térmica de três corpos diferentes A, B e C. Se o corpo A está em equilíbrio térmico com o corpo C (eles têm a mesma temperatura) e B também tem a mesma temperatura que C, então A e B têm a mesma temperatura.
Outra forma de enunciar esse princípio é argumentar que, ao colocar dois corpos com temperaturas diferentes em contato, eles trocam calor até que suas temperaturas se igualem.
Exemplos cotidianos dessa lei são fáceis de encontrar. Quando entramos na água quente ou fria, notamos a diferença de temperatura apenas nos primeiros minutos. pois nosso corpo entrará então em equilíbrio térmico com a água e não perceberemos mais a diferença. A mesma coisa acontece quando entramos em uma sala quente ou fria: primeiro notamos a temperatura, mas depois deixaremos de perceber a diferença, pois entraremos em equilíbrio térmico com ela.
Referências
- “Princípios da termodinâmica” na Wikipedia.
- “Leis da termodinâmica” no Blog da Geofrik.
- “As Leis da Termodinâmica” na Khan Academy.
- “Termodinâmica” na Enciclopédia Britânica.
- “As leis da termodinâmica em 5 minutos” (Vídeo) em Fratura Quântica.