Termodinâmica: O que é, Conceitos, Fórmulas e as 4 Leis

termodinâmica é a área da física térmica que analisa os processos de troca de calor, observando também as variações da temperatura, pressão e volume, assim como elas interferem nos sistemas físicos.

Essa área da física tem como base as Leis da Termodinâmica, as quais dizem que é possível transferir energia de um sistema para outro na forma de calor ou de trabalho. 

Os estudos da área foram desenvolvidos a partir da necessidade da criação e do aumento da eficiência das primeiras máquinas a vapor, durante a Primeira Revolução Industrial. O pioneiro de estudos dessa área foi cientista Otto Von Guericke.

Vamos explicar os conceitos e as leis da Termodinâmica e, se você ficar com dúvidas, é só deixar nos comentários.

Definição de Termodinâmica

A termodinâmica é um ramo da física que estuda a relação entre o calor, o trabalho e a energia em sistemas físicos. Ela se preocupa em entender como a energia se transforma de uma forma para outra, como a energia térmica se comporta em diferentes situações e como podemos medir e controlar esses processos.

O desenvolvimento da termodinâmica começou no século XVII, com os trabalhos de Otto von Guericke, Robert Boyle e outros, que estudaram as propriedades dos gases e das pressões atmosféricas. No século XVIII, o médico escocês James Black estudou o comportamento do dióxido de carbono, o que o levou a descobrir a relação entre a pressão, o volume e a temperatura dos gases.

No entanto, foi apenas no século XIX que a termodinâmica começou a se tornar uma disciplina estabelecida. Os trabalhos de Sadi Carnot e James Joule contribuíram para a compreensão da relação entre calor e trabalho, enquanto Hermann von Helmholtz e William Thomson (mais conhecido como Lord Kelvin) estabeleceram os princípios da conservação da energia e da entropia.

A termodinâmica tem inúmeras aplicações práticas em muitos campos, como engenharia, química, biologia, astronomia e geologia, entre outros. Ela é usada para projetar máquinas térmicas, sistemas de refrigeração, geradores de energia elétrica e muito mais.

Hoje em dia, a termodinâmica continua sendo uma área de pesquisa ativa, com muitas descobertas importantes sendo feitas sobre a relação entre energia e matéria. Por exemplo, a termodinâmica quântica estuda como a termodinâmica se aplica a sistemas quânticos, enquanto a termodinâmica de informação estuda como a informação e a entropia estão relacionadas.

Conceitos da Termodinâmica

Espaço ou região definido por limites reais ou imaginários, utilizado para delimitar o estudo da energia e suas transformações. O tamanho do sistema pode variar. O sistema termodinâmico também se classifica em fechado ou aberto:

  • No sistema fechado apenas a energia transpõe os limites do sistema
  • No sistema aberto tanto a energia quanto uma quantidade de matéria pode transpor seus limites

A primeira e a segunda leis foram formalmente declaradas nos trabalhos do físico alemão Rudolf Clausius e do físico escocês William Thomson por volta de 1860. A terceira lei foi desenvolvida pelo químico alemão Walther Nernst de 1906 a 1912. No entanto, os cientistas perceberam que uma lei adicional era necessária para descrever mudanças de energia em sistemas.

Essa “lei” era um entendimento básico que sempre foi considerado verdadeiro, mas precisava ser declarado formalmente. Como as outras três leis já estavam numeradas e a lei adicional é a base para as outras três, ela foi apelidada de lei zero da termodinâmica por Ralph Fowler na década de 1930.

Sistema

Um sistema termodinâmico é uma porção específica de matéria com um limite definido no qual nossa atenção está focada. A fronteira do sistema pode ser real ou imaginária, fixa ou deformável. Tudo fora do sistema que tem influência direta no comportamento do sistema é conhecido como entorno. Existem três tipos de sistemas:

  • Sistema Isolado – Um sistema isolado não pode trocar energia e massa com seus arredores. O universo é considerado um sistema isolado.
  • Sistema Fechado – Através da fronteira do sistema fechado, a transferência de energia ocorre, mas a transferência de massa não ocorre. Refrigerador, compressão de gás no conjunto pistão-cilindro são exemplos de sistemas fechados.
  • Sistema Aberto – Em um sistema aberto, a massa e a energia podem ser transferidas entre o sistema e os arredores. Uma turbina a vapor é um exemplo de sistema aberto.
Interações de sistemas termodinâmicos
Tipo de sistemaFluxo de massaTrabalharAquecer
Sistema isolado
Sistema aberto
Sistema fechado

Estado

Trata-se do conjunto de propriedades físicas do sistema, como a temperatura, pressão, volume, massa, entropia. O estado de um sistema é uma condição que ocorre dependendo do momento. O estado de um sistema só pode ser descrito a partir do momento em que suas propriedades estejam imutáveis, ou seja, enquanto houver equilíbrio.

Basicamente, um sistema passa por um processo termodinâmico quando há alguma mudança energética dentro do sistema que está associada a mudanças na pressão, volume e energia interna. Existem quatro tipos de processos termodinâmicos que possuem propriedades únicas e são eles:

  • Processo Adiabático – Um processo em que não ocorre transferência de calor para dentro ou para fora do sistema.
  • Processo isocórico – Um processo em que não ocorre nenhuma alteração no volume e o sistema não funciona.
  • Processo Isobárico – Processo no qual não ocorre variação de pressão.
  • Processo Isotérmico – Processo no qual não ocorre variação de temperatura.

Um ciclo termodinâmico é um processo ou uma combinação de processos conduzidos de modo que os estados inicial e final do sistema sejam os mesmos. Um ciclo termodinâmico também é conhecido como operação cíclica ou processos cíclicos.

Processo

Sistema aberto, fechado e isolado
Sistema aberto, fechado e isolado

Um processo é o caminho que um sistema faz para percorrer consecutivos estados termodinâmicos. Entre os diferentes tipos de processo está o processo do quase-equilíbrio. Esse processo é aquele em que o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitamente pequeno e todos os estados pelo qual o sistema passa a ser considerado como estados de equilíbrio. Um sistema passa por um processo termodinâmico quando há alguma mudança energética dentro do sistema que está associada a mudanças na pressão, volume e energia interna. Existem quatro tipos de processos termodinâmicos que possuem propriedades únicas e são eles:

  • Processo Adiabático – Um processo em que não ocorre transferência de calor para dentro ou para fora do sistema.
  • Processo isocórico – Um processo em que não ocorre nenhuma alteração no volume e o sistema não funciona.
  • Processo Isobárico – Processo no qual não ocorre variação de pressão.
  • Processo Isotérmico – Processo no qual não ocorre variação de temperatura.

Um ciclo termodinâmico é um processo ou uma combinação de processos conduzidos de modo que os estados inicial e final do sistema sejam os mesmos. Um ciclo termodinâmico também é conhecido como operação cíclica ou processos cíclicos.

Equilíbrio

O equilíbrio termodinâmico é um estado em que não ocorrem variações macroscópicas nas propriedades termodinâmicas de um sistema físico. Em outras palavras, é um estado em que as grandezas como temperatura, pressão e volume permanecem constantes ao longo do tempo.

Para que um sistema atinja o equilíbrio termodinâmico, ele deve estar isolado e não receber energia ou matéria de seu ambiente externo. Quando um sistema está em equilíbrio termodinâmico, não há mais transferência líquida de calor entre o sistema e o meio externo, pois a temperatura do sistema e do ambiente são iguais.

O equilíbrio termodinâmico é um conceito importante na termodinâmica, pois permite a análise e previsão do comportamento de sistemas físicos em diferentes condições. Por exemplo, a lei zero da termodinâmica estabelece que, se dois sistemas estiverem em equilíbrio termodinâmico com um terceiro sistema, então eles estão em equilíbrio termodinâmico um com o outro.

O estudo do equilíbrio termodinâmico é fundamental para o desenvolvimento de diversas aplicações práticas, como o projeto de máquinas térmicas e sistemas de refrigeração. Ele também é importante na compreensão de fenômenos naturais, como a evaporação de líquidos, a formação de nuvens e a condensação de gases.

Temperatura

A temperatura é uma grandeza física que mede o grau de agitação térmica das partículas de uma substância. É medida em graus Celsius (°C) ou em kelvins (K). A escala kelvin é uma escala absoluta, em que o zero absoluto (-273,15 °C) é a temperatura mais baixa possível, abaixo da qual as partículas não têm mais energia para se mover. A relação entre a temperatura em graus Celsius e kelvins é dada por:

T(K) = T(°C) + 273,15

Calor

O calor é uma forma de energia que é transferida de um sistema para outro em virtude da diferença de temperatura entre eles. É medida em joules (J) ou em calorias (cal). Uma caloria é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 grama de água de 14,5 °C para 15,5 °C. A relação entre a caloria e o joule é dada por:

1 cal = 4,184 J

A transferência de calor pode ocorrer de três formas: condução, convecção e radiação. Na condução, o calor é transferido por contato direto entre as partículas do sistema. Na convecção, o calor é transferido por meio do movimento de fluidos. Na radiação, o calor é transferido por meio de ondas eletromagnéticas.

Energia interna

A energia interna é a energia total contida em um sistema termodinâmico, que inclui a energia cinética e potencial de suas partículas. É medida em joules (J). A energia interna de um sistema pode mudar quando há transferência de calor ou trabalho realizado sobre o sistema. A variação da energia interna de um sistema é dada pela equação:

ΔU = Q - W

onde ΔU é a variação da energia interna, Q é a quantidade de calor transferida para o sistema e W é o trabalho realizado sobre o sistema.

Lei da conservação de energia

A lei da conservação de energia afirma que a energia total de um sistema isolado permanece constante. Isso significa que a energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada de uma forma para outra. Na termodinâmica, isso significa que a energia interna de um sistema isolado permanece constante.

Equação fundamental da termodinâmica

A equação fundamental da termodinâmica relaciona a variação da energia interna de um sistema com a transferência de calor e o trabalho realizado sobre o sistema. É dada pela equação:

dU = dQ - dW

onde dU é a variação infinitesimal da energia interna, dQ é a transferência infinitesimal de calor e dW é o trabalho infinitesimal realizado sobre o sistema.

Comportamento dos Gases

Os gases são um dos sistemas mais estudados na termodinâmica, pois apresentam um comportamento único e interessante. O comportamento dos gases é estudado na termodinâmica por meio da lei dos gases ideais e da equação dos gases reais. As transformações gasosas são processos importantes em que as propriedades do gás mudam, e as leis dos gases combinados são usadas para descrever o comportamento de gases em misturas. O estudo dos gases é fundamental para a compreensão de muitos fenômenos

Lei dos gases ideais

A lei dos gases ideais é uma das leis fundamentais da termodinâmica que descreve o comportamento dos gases em condições ideais. Essa lei afirma que, para um gás ideal, a pressão (P), o volume (V) e a temperatura (T) estão relacionados por:

PV = nRT

onde n é o número de mols do gás e R é a constante dos gases ideais. A constante R tem um valor de 8,314 J/(mol·K) e é a mesma para todos os gases ideais.

A lei dos gases ideais assume que as partículas de um gás ideal não têm volume próprio, não interagem umas com as outras e têm uma energia cinética média proporcional à temperatura absoluta.

Equação dos gases reais

A equação dos gases reais leva em consideração as interações entre as partículas de um gás real e é mais precisa que a lei dos gases ideais. Essa equação é dada por:

(P + a(n/V)²)(V - nb) = nRT

onde a e b são constantes que dependem da natureza do gás e das condições de temperatura e pressão.

A constante a leva em consideração as interações atrativas entre as partículas do gás, enquanto a constante b leva em consideração o volume das partículas do gás.

Transformações gasosas

As transformações gasosas são processos em que as propriedades de um gás, como pressão, volume e temperatura, mudam. Existem vários tipos de transformações gasosas, incluindo:

  • Transformação isobárica: em que a pressão do gás é mantida constante.
  • Transformação isocórica: em que o volume do gás é mantido constante.
  • Transformação isotérmica: em que a temperatura do gás é mantida constante.
  • Transformação adiabática: em que não há transferência de calor entre o gás e o meio ambiente.

Leis dos gases combinados

As leis dos gases combinados são usadas para descrever o comportamento de dois ou mais gases em uma mistura. Duas leis comuns são a lei de Dalton e a lei de Amagat. As leis dos gases combinados são leis empíricas que descrevem o comportamento de misturas de gases. Elas são úteis na compreensão do comportamento de gases em misturas e em processos que envolvem mais de um gás. As duas leis mais conhecidas são a Lei de Dalton e a Lei de Amagat.

Lei de Dalton

A Lei de Dalton, também conhecida como Lei das Pressões Parciais, afirma que a pressão total de uma mistura de gases é igual à soma das pressões parciais de cada gás na mistura. A pressão parcial de um gás é a pressão que esse gás exerceria se estivesse sozinho no mesmo volume e temperatura da mistura.

Matematicamente, podemos escrever:

Ptotal = P1 + P2 + P3 + ... + Pn

Onde P1, P2, P3, …, Pn são as pressões parciais de cada gás presente na mistura e n é o número de gases na mistura. Essa lei é válida para misturas de gases ideais ou reais, desde que as interações entre as moléculas dos diferentes gases sejam desprezíveis.

Lei de Amagat

A Lei de Amagat, também conhecida como Lei dos Volumes Parciais, afirma que o volume total de uma mistura de gases é igual à soma dos volumes parciais de cada gás na mistura. O volume parcial de um gás é o volume que esse gás ocuparia se estivesse sozinho no mesmo volume e temperatura da mistura.

Matematicamente, podemos escrever:

Vtotal = V1 + V2 + V3 + ... + Vn

Onde V1, V2, V3, …, Vn são os volumes parciais de cada gás presente na mistura e n é o número de gases na mistura. Assim como a Lei de Dalton, a Lei de Amagat é válida para misturas de gases ideais ou reais, desde que as interações entre as moléculas dos diferentes gases sejam desprezíveis.

Leis da Termodinâmica

As leis da termodinâmica definem suas grandezas físicas como temperatura; entropia e trabalho. Elas são:

  • 1ª Lei da Termodinâmica – A energia não pode ser criada nem destruída.
  • 2ª Lei da Termodinâmica – Para um processo espontâneo, a entropia do universo aumenta.
  • 3ª Lei da Termodinâmica – Um cristal perfeito a zero Kelvin tem entropia zero.

Lei Zero da Termodinâmica (ou Lei do equilíbrio térmico)

A Lei Zero trata sobre as condições para o equilíbrio térmico. Essa lei afirma que se dois corpos estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, consequentemente, os dois primeiros estarão em equilíbrio térmico entre si. Basicamente, se o sistema A está em equilíbrio térmico com o sistema C e o sistema B também está em equilíbrio térmico com o sistema C, o sistema A e o sistema B estão em equilíbrio térmico entre si.

Essa lei explica que quando dois corpos com temperaturas diferentes entram em contato, o corpo mais quente tende a transferir calor para o corpo mais frio. Isso ocorre para que as temperaturas de ambos se igualem e eles cheguem ao equilíbrio térmico. De acordo com a Lei Zero, entre as condições para o equilíbrios térmico está a influência dos materiais que interferem na condutividade térmica.

Primeira Lei da Termodinâmica

A Primeira Lei da Termodinâmica afirma que a energia não pode ser criada ou destruída. Alternativamente, alguns resumem isso como “a conservação de energia”. Em última análise, a Primeira Lei da Termodinâmica é uma afirmação de que a energia pode ser transferida entre o sistema e o ambiente por meio da transferência de calor ou pela realização de trabalho mecânico.

Q = t+ΔU
Onde:
Q = Quantidade de Calor
t = trabalho
ΔU = variação de energia interna

A energia não se materializa ou desaparece simplesmente. Qualquer ganho de energia do sistema corresponderá a uma perda de energia de algum outro lugar, ou qualquer perda de energia do sistema corresponderá a um ganho de energia para outro lugar. Essa lei estuda algumas transformações termodinâmicas:

  • Transformação isobárica – pressão constante e somente o volume e a temperatura variam
  • Transformação isotérmica – pressão e o volume sofrem variação e a temperatura se mantém constante
  • Transformação isovolumétrica – volume é constante e somente a pressão e a temperatura variam
  • Transformação adiabática – transformação gasosa em que o gás não troca calor com o meio externo

Segunda Lei da Termodinâmica

A Segunda Lei da Termodinâmica pode ser expressa de três maneiras sinônimas:

  • Para um processo espontâneo, a entropia do universo aumenta.
  • Para um processo espontâneo, universo ΔS > 0.
  • Para um processo espontâneo, ΔS sistema + ΔS arredores > 0

Em última análise, para qualquer processo espontâneo, a entropia, que está relacionada à aleatoriedade ou desordem, do universo aumenta. Em certo sentido, você pode ver a Segunda Lei da Termodinâmica como sendo a mais importante das três.

A última declaração da Segunda Lei da Termodinâmica divide o universo em duas partes: o sistema (o que você está investigando) e os arredores (tudo no universo além do sistema). Em química, o sistema é frequentemente uma reação química sob investigação. Para ser claro, a Segunda Lei NÃO significa que a reação ΔS deve ser positiva, pois a reação ΔS é apenas o sistema ΔS que pode ser positivo ou negativo. Mas se a reação ΔS para uma reação espontânea for negativa, então a Segunda Lei significa que os arredores ΔS devem ser positivos e de maior magnitude neste exemplo, de modo que o sistema ΔS + os arredores ΔS > 0.

Terceira Lei da Termodinâmica

A Terceira Lei Termodinâmica trata da entropia. A Terceira Lei da Termodinâmica afirma que um cristal perfeito a zero Kelvin (zero absoluto) tem entropia zero. Primeiro, um cristal perfeito significa que não há impurezas, alcançou o equilíbrio termodinâmico e está em um estado cristalino onde todos os átomos/íons/moléculas estão em posições bem definidas em uma rede cristalina altamente ordenada. Isso excluiria sólidos amorfos, como o vidro, que não possuem uma estrutura cristalina ordenada e não atingiram o equilíbrio termodinâmico.

A Terceira Lei não é intuitiva, mas foi derivada empiricamente quando a entropia de um sistema sempre se aproximava do mesmo valor mínimo quando a temperatura absoluta diminuía e se aproximava de zero. Do ponto de vista da mecânica estatística, a Terceira Lei implica que um cristal perfeito no zero absoluto deve existir em um único microestado de Entropia.

A Terceira Lei também nos fornece um ponto de referência, que combinado com o fato de que a entropia é uma função de estado nos permite determinar a entropia absoluta de uma substância a qualquer temperatura, o que é muito útil para calcular a reação.

O que é Entropia?

A entropia é frequentemente definida como aleatoriedade ou desordem, mas isso não é bem verdade. Acontece que a entropia tem uma definição matemática relacionada ao número de microestados possíveis nos quais um sistema pode existir; quanto mais microestados possíveis, maior a entropia. 

Mas a definição pode não ser a mais satisfatória conceitualmente e pode ser um pouco complicada, e é por isso que muitas vezes é explicada como sinônimo de aleatoriedade ou desordem. Esta definição não é completamente sem mérito, mas é melhor afirmar que a entropia se CORRELACIONA com aleatoriedade ou desordem. Um sistema com mais microestados possíveis terá mais desordem e mais entropia. Então existe uma correlação entre entropia e desordem, mas não é bem verdade afirmar que são a mesma coisa. De acordo com a mecânica estatística, a entropia é definida pela seguinte equação:

S = -k B lnΩ

k B = 1,38x10 -23 m 2 kg s -2 K -1 (a constante de boltzmann)

Ω = o número de microestados possíveis

Um microestado é simplesmente um arranjo no qual todas as partículas em um sistema podem existir. O número de microestados possíveis é tipicamente maior quando há mais partículas presentes ou quando mais configurações rotacionais são possíveis para uma molécula ou em torno das ligações dentro de uma molécula, quando as partículas estão espalhadas em um volume maior, em temperaturas mais altas, etc.

Exercícios

Exercício 1 (ENEM 2018): Uma máquina térmica opera em ciclos e tem rendimento igual a 50%. Quando a fonte quente fornece 8,0 kcal de calor, a fonte fria recebe:

a) 0,50 kcal.
b) 1,0 kcal.
c) 2,0 kcal.
d) 4,0 kcal.
e) 8,0 kcal.

Resposta correta: letra D) 4,0 kcal

Exemplo 2 (ENEM 2017): Um gás ideal sofre uma transformação de acordo com o gráfico PV = constante. Considerando P em N/m² e V em m³, e supondo que a massa do gás permaneça constante, pode-se afirmar que:
a) a temperatura do gás aumenta durante a transformação.
b) o trabalho realizado sobre o gás é negativo.
c) o gás cede calor para o meio ambiente.
d) a pressão do gás é inversamente proporcional ao volume.
e) o gás não sofre variação de energia interna.

Resposta correta: letra E) o gás não sofre variação de energia interna.

FAQ Rápido

O que é Termodinâmica?

É a área da física térmica que analisa os processos de troca de calor, observando também as variações da temperatura, pressão e volume, assim como elas interferem nos sistemas físicos. Essa área da física tem como base as algumas leis, as quais dizem que é possível transferir energia de um sistema para outro na forma de calor ou de trabalho. Os estudos da área foram desenvolvidos a partir da necessidade da criação e do aumento da eficiência das primeiras máquinas a vapor, durante a Primeira Revolução Industrial. O pioneiro de estudos dessa área foi cientista Otto Von Guericke.

O que é um sistema termodinâmico?

Espaço ou região definido por limites reais ou imaginários, utilizado para delimitar o estudo da energia e suas transformações. O tamanho do sistema pode variar. O sistema termodinâmico também se classifica em fechado ou aberto.

O que é o estado termodinâmico?

Trata-se do conjunto de propriedades físicas do sistema, como a temperatura, pressão, volume, massa, entropia.

O que é processo?

Um processo é o caminho que um sistema faz para percorrer consecutivos estados termodinâmicos. Entre os diferentes tipos de processo está o processo do quase-equilíbrio. Esse processo é aquele em que o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitamente pequeno e todos os estados pelo qual o sistema passa a ser considerado como estados de equilíbrio. 

Quais são as leis termodinâmicas?

São 4: lei zero, lei 1, lei 2 e lei 3.

Qual é a lei zero da termodinâmica?

A lei zero trata sobre as condições para o equilíbrio térmico. Essa lei afirma que se dois corpos estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, consequentemente, os dois primeiros estarão em equilíbrio térmico entre si.

Qual é a 1° lei da termodinâmica?

A Primeira Lei da Termodinâmica está relacionada à lei de conservação da energia. De acordo com essa lei, a variação da energia interna de um sistema pode ser expressa pela diferença entre o calor trocado com o meio externo e o trabalho realizado por ele durante a transformação. 

Qual é a 2° lei da termodinâmica?

A Segunda Lei da Termodinâmica define as condições para a ocorrência das transformações termodinâmicas. Segundo essa lei, o sistema precisa realizar ciclos entres fontes de calor quente e fria de forma sucessiva para que possa realizar conversões de calor em trabalho.

Qual é a 3° lei da termodinâmica?

A Terceira Lei Termodinâmica trata da entropia. De acordo com essa lei, quando um sistema se encontra em equilíbrio termodinâmico, a sua entropia está próxima de zero.

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