A Termodinâmica estuda a troca de matéria e a transferência de energia pelo trabalho e pelo calor entre os sistemas ou entre um sistema e sua vizinhança. As Leis da Termodinâmica trabalha com os estados de equilíbrio e com as propriedades microscópicas que caracterizam os sistemas.
Surgimento da Termodinâmica
A Termodinâmica surgiu durante a Revolução Industrial com o objetivo de desenvolver máquinas a vapor mais eficientes. Em 1650, Otto Von Guericke projetou e construiu a primeira bomba de vácuo do mundo, e o primeiro vácuo artificial do mundo.
Logo após, Joseph Black fundou a ciência da calorimetria, que levou à enunciação da teoria segundo a qual o calor é um fluido invisível chamado calórico. Já em 1824, Sadi Carnot publicou “Reflexões sobre a Potência Motriz do Fogo”, que trouxe as relações energéticas básicas entre a Máquina de Carnot, o Ciclo de Carnot e a Potência Motriz.
Leis da Termodinâmica
Existem quatro Leis da Termodinâmica: Lei Zero, Primeira Lei, Segunda Lei e a Terceira Lei.
Lei Zero da Termodinâmica
Essa lei estabelece como acontece a troca de calor entre os corpos. Ela está relacionada como a energia interna dos materiais expressa, indiretamente, a temperatura. Os corpos de maior temperatura possuem maior energia térmica.
Quando um corpo de menor energia térmica é colocado em contato com este, a tendência é de que a energia térmica flua, em parte, do corpo de maior temperatura até o corpo de menor temperatura.
Ou seja, se A e B são dois corpos em equilíbrio termodinâmico com um terceiro corpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico um com o outro, pois a temperatura desses sistemas é a mesma.
Primeira Lei da Termodinâmica
Foi desenvolvida por James P. Joule. Ele desenvolveu uma experiência que se tornou famosa por determinar a quantidade de trabalho necessária para elevar de um grau Celsius a temperatura de um grama de água. É uma das Leis da Termodinâmica mais conhecida.
A Primeira Lei da Termodinâmica pode ser enunciada também a partir do conceito de energia interna, entendida como a energia associada ao átomo e molécula em seus movimentos e interações internas ao sistema. A energia não pode ser criada, apenas convertida.
A variação da energia interna DU é medida pela diferença entre a quantidade de calor (Q), trocado pelo sistema com seu exterior, e o trabalho realizado (W) e é dada pela expressão DU = K – W, que corresponde ao enunciado da lei da termodinâmica.
Segunda Lei da Termodinâmica
Desenvolvida por Rudolf Clausius, esta lei, assim como o princípio de conservação da energia, não contém restrições quanto à direção do fluxo de energia entre dois sistemas.
Três enunciados acompanham a segunda lei.
- Enunciado de Kelvin: nenhum sistema pode realizar qualquer processo cíclico cujo único efeito seja retirar, por calor, certa quantidade de energia de um único reservatório térmico e ceder, por trabalho, uma quantidade igual de energia para a vizinhança.
- Enunciado pela Entropia: a entropia (medida de desordem das partículas em um sistema físico) de um sistema isolado não se altera.
Um sistema isolado não troca energia e não troca matéria com a vizinhança. - Enunciado de Clausius: nenhum sistema pode realizar qualquer processo cíclico cujo único efeito seja retirar, por calor, certa quantidade de energia de um reservatório térmico com temperatura baixa e ceder, também por calor, igual quantidade de energia a um reservatório térmico com temperatura alta.
Terceira Lei da Termodinâmica
A terceira lei, desenvolvida por Walther Nernst, diz que, quando um sistema se aproxima da temperatura do zero absoluto, cessam todos os processos, e a entropia assume um valor mínimo.
Ainda assim, afirma que quando a temperatura de um sistema com cristal perfeito se aproxima de zero, a entropia também se aproximará de zero, providenciando assim um ponto de referência que seria absoluto para determinar a entropia. A partir do ponto zero, a entropia seria considerada absoluta. Porém, com o passar dos anos verificou-se que esta lei é válida somente para gases. Por exemplo: T (temperatura) → 0K, S0 = 0