Termodinâmica: o estudo da energia e suas transformações - Hexag Medicina
12/12/2023 Física

Termodinâmica: o estudo da energia e suas transformações

Escrito por Hexag Educacional @hexagmedicina
Termodinâmica: o estudo da energia e suas transformações

A termodinâmica é a área da Física responsável pelo estudo da energia, investiga as relações entre calor, energia e trabalho. Analisa as quantidades de calor trocadas e os trabalhos realizados em um processo físico. Esse campo de estudos foi desenvolvido inicialmente para aprimorar máquinas no período da Revolução Industrial. 

Conheça mais sobre a termodinâmica e o estudo da energia 

O foco da termodinâmica é estudar as causas e os efeitos de mudanças na temperatura, pressão e volume de sistemas físicos. Também pode se ocupar de outras grandezas termodinâmicas fundamentais em casos menos gerais. Conheça abaixo as leis da termodinâmica. 

Leis da Termodinâmica

Essas leis regem a forma como o calor se transforma em trabalho e vice-versa. 

Primeira Lei da Termodinâmica

Essa lei tem relação com o princípio da conservação de energia. Em outras palavras significa que a energia de um sistema não pode ser criada e nem destruída, somente pode ser transformada. A fórmula é a seguinte:

Q = + U

Sendo que:

Q = quantidade de calor

= trabalho

U = variação de energia interna

Importante

Há autores que usam a letra W para designar trabalho, nesse caso a fórmula fica da seguinte forma:

U = Q W

Unidade de medida

Tanto o trabalho, quanto a quantidade de calor e a variação de energia interna tem como unidade de medida padrão o Joule (J). 

Exemplo

O princípio da conservação de energia pode ser observado quando uma pessoa usa uma bomba para encher um objeto inflável. Ao fazer isso, o indivíduo está usando força para colocar o ar dentro do objeto. Ou seja, a energia cinética é utilizada para mover o pistão da bomba para baixo. 

Segunda Lei da Termodinâmica

As transferências de calor são realizadas sempre do corpo mais quente para o corpo mais frio. É um processo espontâneo, porém, o contrário não. Dessa forma os processos de transferência de energia térmica são irreversíveis. 

Então, de acordo com essa lei da termodinâmica não é possível que o calor seja convertido integralmente em outra forma de energia. O calor é considerado como uma forma degradada de energia. 

Exemplo 

A Segunda Lei da Termodinâmica está relacionada diretamente com a entropia. Essa grandeza física diz respeito ao grau de desordem de um sistema. 

Lei Zero da Termodinâmica

Essa lei refere-se às condições para alcançar o equilíbrio térmico. Uma dessas condições é a influência dos materiais que aumentam ou reduzem a condutividade. De acordo com essa lei: 

  • se o corpo A está em equilíbrio térmico em contato com o corpo B e
  • se esse mesmo corpo A está em equilíbrio térmico com o corpo C, temos que
  • B está em equilíbrio térmico em contato com C. 

Se dois corpos com temperaturas diferentes forem colocados em contato, o mais quente irá transferir calor para o que estiver mais frio. As temperaturas irão se igualar até que seja alcançado o equilíbrio térmico. Essa lei é chamada de lei zero porque a sua compreensão se mostrou essencial para as primeiras duas leis já existentes. 

Terceira Lei da Termodinâmica

Essa lei surgiu como uma forma de tentar estabelecer um ponto de referência absoluto para determinar a entropia. O físico Walther Nernst foi quem propôs o conceito de entropia. 

Segundo ele, era impossível que uma substância pura com temperatura zero apresentasse entropia num valor próximo à zero. Essa lei é polêmica e por esse motivo alguns físicos a consideram como uma regra e não como uma lei. 

Sistemas termodinâmicos

Um sistema termodinâmico pode ter um ou vários corpos que se relacionam. O meio externo ao sistema é composto pelo meio que o envolve e o Universo. O sistema pode ser definido como: 

  • Aberto – há transferência de massa e energia entre o sistema e o meio externo.
  • Fechado – ocorre somente a transferência de energia (calor).
  • Isolado – não há trocas. 

Comportamento dos gases

Os gases apresentam comportamento microscópico mais fácil de interpretar do que os outros estados físicos (sólido e líquido). Por esse motivo os gases são mais usados nesse tipo de estudo. 

Os estudos termodinâmicos usam os gases ideais ou perfeitos. Nesse modelo, as partículas se movem de forma caótica e interagem somente nas colisões. As colisões entre as partículas e delas com as paredes dos recipientes são elásticas e duram pouco tempo. 

Num sistema fechado, o gás ideal pressupõe um comportamento que abrange as seguintes grandezas físicas:

  • Volume,
  • Pressão,
  • Temperatura. 

Tais variações definem o estado termodinâmico de um gás. 

Em um sistema fechado, o gás ideal pressupõe um comportamento que envolve as seguintes grandezas físicas: pressão, volume e temperatura. Essas variáveis definem o estado termodinâmico de um gás.

A pressão (p) é resultado do movimento das partículas do gás dentro do recipiente. O espaço que o gás ocupa no interior do recipiente é o volume (v). A temperatura (t) tem relação com a energia cinética na média das partículas do gás que está em movimento. 

Energia interna de um sistema

Trata-se de uma grandeza física que ajuda a medir como acontecem as transformações pelas quais um gás passa. Tal grandeza tem relação com a variação da temperatura e da energia cinética das partículas. 

Considera-se um gás ideal aquele formado por apenas um tipo de átomo. Esse tipo de gás tem energia interna diretamente proporcional à temperatura. Confira a fórmula abaixo: 

U = 32 . n . R . T

Sendo que:

U = energia interna.

n = número de mols do gás.

R = constante universal dos gases ideais (R = 8,31 J/mol K).

T = temperatura.

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