Leis da Termodinâmica (1)

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Leis da Termodinâmica
A Termodinâmica estuda a troca
de matéria e a troca de energia
pelo trabalho e pelo calor entre
sistemas ou entre um sistema e
sua vizinhança. Trabalha com os
estados de equilíbrio e com as
propriedades macroscópicas
que caracterizam os sistemas.
A Termodinâmica, como teoria
Física, é estruturada por quatro
leis: lei zero, associada ao
conceito de temperatura,
primeira lei, associada ao
conceito de energia, segunda
lei, associada ao conceito de
entropia, e terceira lei, também
chamada de postulado de
Nernst, associada ao limite
constante da entropia.
Aqui é importante frisar que
utilizaremos os termos calor e
trabalho para indicar processos:
● Calor é o processo de
transferência de energia
causado por uma
diferença de temperatura.
● Trabalho é o processo
mecânico de transferência
de energia.
Lei Zero
Tomamos dois sistemas
diferentes e colocamos um em
contato com o outro através de
uma parede imóvel, impermeável
à passagem de matéria, mas
que permita a passagem de
energia por calor. A partir do
momento em que as
propriedades dos sistemas
deixam de variar, eles terão
alcançado o equilíbrio térmico.
A lei zero da Termodinâmica
estabelece o seguinte: dois
sistemas em equilíbrio térmico
com um terceiro estão em
equilíbrio térmico entre si.
Esta lei justifica o conceito de
temperatura como sendo a
propriedade que, sendo igual
para dois sistemas, indica que
estão em equilíbrio térmico.
Em termos práticos, para saber
se dois sistemas têm a mesma
temperatura não é necessário
colocá-los em contato térmico
entre si, bastando verificar se
ambos estão em equilíbrio
térmico com um terceiro corpo,
chamado termômetro.
Dito de outra forma,
consideremos que quando o
sistema A está em equilíbrio
térmico com o termômetro, ele
indica a temperatura TA e
quando o sistema B está em
equilíbrio térmico com o mesmo
termômetro, ele indica a
temperatura TB. Então, se TA =
TB, os sistemas A e B estão em
equilíbrio térmico um com o
outro.
Primeira Lei
A energia interna U de um
sistema é a soma das energias
cinéticas e das energias
potenciais de todas as
partículas que formam esse
sistema e, como tal, é uma
propriedade do sistema. Isto
significa que qualquer variação
ΔU na energia interna só
depende do estado inicial e do
estado final do sistema no
processo considerado.
A primeira lei da Termodinâmica
estabelece o seguinte: se um
sistema troca energia com a
vizinhança por calor e por
trabalho, então a variação da
sua energia interna é dada por:
ΔU = Q − W
Esta lei representa a aplicação
do princípio de conservação da
energia a sistemas
termodinâmicos. W representa a
quantidade de energia
transferida do sistema para a
vizinhança por trabalho e Q
representa a quantidade de
energia transferida da
vizinhança para o sistema por
calor. Por isso:
● W > 0: o sistema se
expande e perde energia
para a vizinhança.
● W < 0: o sistema se contrai
e recebe energia da
vizinhança.
● Q > 0: a energia por calor
passa da vizinhança para
o sistema.
● Q < 0: a energia por calor
passa do sistema para a
vizinhança.
Embora ΔU só dependa do
estado inicial e do estado final
do sistema, porque representa a
variação da sua energia interna,
as quantidades de energia W e
Q dependem, também, do
processo que leva o sistema do
estado inicial ao estado final.
Para discutir essa propriedade
importante da energia interna
vamos considerar uma amostra
de gás que é levada do estado 1
para o estado 2 por três
processos diferentes.
A quantidade de energia
associada ao trabalho realizado
pelo sistema sobre a vizinhança
no processo 1-A-2 é dada pela
área sob a isóbara 1-A, no
processo 1-B-2 é dada pela área
sob a isóbara B-2 e no processo
1-2 é dada pela área sob a curva
correspondente. Por isso, a
quantidade de energia
associada ao trabalho depende
do processo.
https://www.ufsm.br/cursos/graduacao/santa-maria/fisica/2020/02/20/principio-de-conservacao-da-energia/
https://www.ufsm.br/cursos/graduacao/santa-maria/fisica/2020/02/20/principio-de-conservacao-da-energia/
Por outro lado, se uma certa
quantidade de energia entra no
sistema por calor e a pressão do
sistema permanece constante,
uma parte da energia fica no
sistema como energia interna,
aumentando a sua temperatura,
e a outra parte volta à
vizinhança, pelo trabalho de
expansão do sistema.
Entretanto, se essa quantidade
de energia associada ao calor
entra no sistema e o volume do
sistema permanece constante,
não existe trabalho do sistema
sobre a vizinhança e toda a
energia fica no sistema como
energia interna, causando um
aumento maior na sua
temperatura. Por isso, a
quantidade de energia
associada ao calor depende do
processo.
A primeira lei afirma que, apesar
da quantidade de energia W
trocada por trabalho e da
quantidade de energia Q
trocada por calor entre o
sistema e a vizinhança
dependerem, cada uma delas,
do processo pelo qual o sistema
passa de um estado para outro,
a diferença Q − W não depende.
Segunda Lei
Não contém restrições quanto à
direção do fluxo de energia
entre dois sistemas. Por exemplo,
estão de acordo com essa lei
tanto a passagem de energia,
por calor, de um corpo de
temperatura maior a outro de
temperatura menor, quanto a
passagem de energia, por calor,
de um corpo de temperatura
menor a outro de temperatura
maior. No entanto, na Natureza,
observamos que é possível a
passagem espontânea de
energia por calor apenas de um
corpo de temperatura maior a
outro de temperatura menor. A
segunda lei da Termodinâmica
dá conta desta falta de simetria.
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.
Aqui é muito importante
observar que esse enunciado se
refere a um processo cíclico.
Podemos perfeitamente
imaginar um processo não
cíclico através do qual certa
quantidade de energia é
retirada, por calor, de um único
reservatório térmico e uma
quantidade igual de energia é
devolvida, por trabalho, à
vizinhança.
Como exemplo, podemos
considerar uma amostra de gás
ideal que se expande
isotermicamente (isto é, a
temperatura constante) em
contato com um reservatório
térmico. A amostra recebe
energia, por calor, do
reservatório térmico e,
simultaneamente, cede energia,
por trabalho, para a vizinhança.
Nesse processo, ΔU = 0 e pela
primeira lei, Q = W, isto é, a
quantidade de energia recebida
pelo gás por calor é igual à
quantidade de energia cedida
por trabalho.
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.
Aqui, novamente, é muito
importante observar que esse
enunciado se refere também a
um processo cíclico. Se o
sistema não volta ao estado
inicial, a transferência de
energia, por calor, do
reservatório térmico com
temperatura baixa para o
reservatório térmico com
temperatura alta é
perfeitamente possível.
Como exemplo, podemos
considerar uma amostra de gás
ideal que é expandida
isotermicamente em contato
com um reservatório térmico de
temperatura baixa T1 (processo
A-B), depois comprimida
adiabaticamente (isto é, sem
trocar energia por calor com a
vizinhança), de modo que sua
temperatura aumente de T1 para
T2 (processo B-C) e, finalmente,
comprimida isotermicamente em
contato com um reservatório
térmico de temperatura alta T2
(processo C-D).
No processo A-B, o gás recebe
do reservatório térmico de
temperatura baixa certa
quantidade de energia por calor
e cede energia por trabalho. No
processo B-C, o gás recebe
energia por trabalho. No
processo C-D, o gás cede certa
quantidade de energia por calor
ao reservatório térmico de
temperatura alta e recebe
energia por trabalho. De
qualquer modo, podemos
ajustar o processo global de
modo que a quantidade de
energia associada ao trabalho
seja nula e, mesmoassim, uma
certa quantidade de energia
diferente de zero é transferida
por calor do reservatório
térmico de temperatura baixa
para o reservatório térmico de
temperatura alta.
Há um terceiro enunciado para
a segunda lei da Termodinâmica
baseado no conceito de
entropia.
Enunciado pela Entropia: a
entropia de um sistema isolado
não se altera se ele realiza um
processo reversível e aumenta
se ele realiza um processo
irreversível.
Um sistema isolado não troca
energia e não troca matéria com
a vizinhança.
De modo geral, os processos
naturais são espontâneos e,
portanto, não são
quase-estáticos. Isto significa
que eles são irreversíveis e
ocorrem, sempre, com aumento
de entropia. Assim, a entropia
do universo aumenta sempre.
O aumento da entropia em
processos irreversíveis é muito
importante para dar sentido ao
próprio conceito de entropia.
A energia e a entropia de um
sistema isolado não variam se o
sistema evolui reversivelmente.
Por definição, os estados do
sistema, associados a qualquer
processo reversível, são estados
de equilíbrio termodinâmico.
Além disso, leva um certo
intervalo de tempo para que o
sistema, uma vez perturbado,
atinja um novo estado de
equilíbrio termodinâmico. Desta
forma, um processo só pode ser
completamente reversível caso
se desenvolva muito lentamente.
Os processos naturais não são
reversíveis justamente por isso.
Por outro lado, a energia se
conserva e a entropia sempre
aumenta nos processos
irreversíveis que ocorrem num
sistema isolado. A propriedade
de conservação da energia,
sendo inerente a um sistema
isolado, quaisquer que sejam os
processos, reversíveis ou não,
pelos quais ele passa, mostra
que a energia não pode indicar
o sentido da evolução de tais
processos. Contudo, o aumento
da entropia nos processos
irreversíveis, aumento esse
também inerente a um sistema
isolado, mostra que a entropia
pode indicar, sim, o sentido da
evolução de tais processos: o
estado inicial pode ser
diferenciado do estado final
porque este último tem,
necessariamente, maior
entropia.
https://www.ufsm.br/cursos/graduacao/santa-maria/fisica/2020/02/21/o-que-sao-processos-quase-estaticos-reversiveis-e-irreversiveis/