Explicamos o que é a termodinâmica e em que consiste um sistema termodinâmico. Além disso, quais são as leis da termodinâmica.
O que é Termodinâmica?
Chama-se termodinâmica (do grego garrafa térmica“calor” e dínamos“poder, força”) ao ramo da física que estuda as ações mecânicas do calor e outras formas similares de energia. Seu estudo aborda os objetos como sistemas macroscópicos reais, através do método científico e do raciocínio dedutivo, atentando para variáveis extensas como entropia, energia interna ou volume; assim como variáveis não extensivas como temperatura, pressão ou potencial químico, entre outros tipos de grandezas.
No entanto, a termodinâmica não oferece uma interpretação das grandezas que estuda, e seus objetos de estudo são sempre sistemas em estado de equilíbrio, ou seja, aqueles cujas características são determináveis por elementos internos e não tanto por forças externas que atuam sobre eles. Por isso, ele considera que a energia só pode ser trocada de um sistema para outro na forma de calor ou trabalho.
O estudo formal da termodinâmica começou graças a Otto von Guericke em 1650., físico e jurista alemão que projetou e construiu a primeira bomba de vácuo, refutando com suas aplicações Aristóteles e sua máxima de que “a natureza abomina o vácuo”. Após esta invenção, os cientistas Robert Boyle e Robert Hooke aperfeiçoaram seus sistemas e observaram a correlação entre pressão, temperatura e volume. Assim nasceram os princípios da termodinâmica.
Veja também: Calor específico
sistema termodinâmico
Um sistema termodinâmico é entendido como uma parte do universo que, para fins de estudo, isola-se conceitualmente do resto e tenta entender de forma independente. Observe as formas como a energia muda ou é preservada e, ao mesmo tempo, suas trocas de matéria e/ou energia com o meio ambiente ou com outros sistemas semelhantes (se houver). É, portanto, um método de estudo da termodinâmica.
O principal critério de classificação destes sistemas baseia-se no seu grau de isolamento do ambiente, distinguindo assim entre:
- sistemas abertos. Aqueles que trocam livremente energia e matéria com seu entorno, como fazem a maioria dos sistemas conhecidos na vida cotidiana. Por exemplo: um carro. Um entrega combustível e devolve gases e calor ao ambiente.
- sistemas fechados. Aqueles que trocam energia com seu ambiente, mas não importam. É o que acontece com um recipiente fechado, como uma lata, cujo conteúdo é invariável, mas perde calor com o tempo, dissipando-o no ar circundante.
- Sistemas isolados. Aqueles que, em certa medida, não trocam energia ou matéria com o meio ambiente. Não existem sistemas perfeitamente isolados, é claro, mas até certo ponto: uma garrafa térmica contendo água quente manterá sua temperatura por um tempo, tempo suficiente para permanecer isolada por um tempo.
Leis da termodinâmica
A Termodinâmica é regida pelo que está estabelecido em seus quatro princípios ou leis fundamentais, formulados por diversos cientistas ao longo da história desta disciplina. Esses princípios ou leis são:
- Primeiro princípio, ou Lei da Conservação da energia. Afirma que a quantidade total de energia em qualquer sistema físico isolado de seus arredores será sempre a mesma, embora possa ser transformada de uma forma de energia em muitas outras diferentes. Em poucas palavras: “A energia não pode ser criada ou destruída, apenas transformada.”
- Terceiro princípio, ou Lei do zero absoluto. Ele determina que a entropia de um sistema que é levado ao zero absoluto sempre será uma constante definida. Isso significa que ao atingir o zero absoluto (-273,15° C ou 0 K), os processos dos sistemas físicos param e a entropia tem um valor mínimo constante.
- Princípio zero ou Lei do equilíbrio térmico. É chamada de “lei zero” porque, embora tenha sido a última a ser postulada, os preceitos básicos e fundamentais que ela estabelece têm prioridade sobre as outras três leis. Ele determina que “se dois sistemas estão independentemente em equilíbrio térmico com um terceiro sistema, eles também devem estar em equilíbrio térmico um com o outro”.
Mais em: Leis da Termodinâmica
termodinâmica química
A termodinâmica química é um campo de estudo separado. focado na correlação entre calor e trabalho, e reações químicas, tudo enquadrado no que é estabelecido pelos princípios da termodinâmica. Ou seja, trata-se da aplicação das leis da termodinâmica, especialmente as duas primeiras, ao mundo das reações entre substâncias e compostos, a fim de obter as chamadas “equações fundamentais de Gibbs”, que regem o modo como qual a energia química contida nos diferentes compostos muda e é transmitida, ou como o grau de entropia do universo aumenta cada vez que ocorre uma reação espontânea.
Referências
- “Termodinâmica” na Wikipedia.
- “As leis da termodinâmica em 5 minutos” (vídeo) em Fratura Quântica.
- “O que é termodinâmica?” no LAB de Física.
- “Conceitos básicos de termodinâmica” na Universidade do País Basco.
- “Termodinámica: curso acelerado de física” (video) en Crash Course.
- “Termodinâmica” na Enciclopédia Britânica.