Introdução à Termodinâmica

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Termodinâmica
É o estudo do calor e de suas transformações em energia mecânica (provém de palavras gregas, que significam “movimento do calor”. A ciência da termodinâmica foi desenvolvida no início do século XIX, antes que a teoria atômica e molecular da matéria fosse compreendida. Essa ciência fornece a teoria básica das máquinas térmicas, de turbinas a vapor até reatores nucleares, a teoria básica de refrigeradores e bombas de calor.
O zero absoluto
Em princípio, não existe um limite superior para a temperatura. Quando aumenta a agitação térmica, um objeto sólido derrete e depois e vaporizado: quanto maior a temperatura, as moléculas são rompidas e transformadas em átomos, que acabam perdendo alguns de seus elétrons, formando uma nuvem de partículas eletricamente carregadas (um plasma). Essa situação existe nas estrelas, onde a temperatura é de muitos milhões de graus Celsius. Em contraste, existe um limite bem definido para o outro extremo da escala de temperatura. Os cientistas experimentais do século XIX descobriram que todos os gases, não importando sua pressão inicial ou seu volume inicial, variam de 1/273 de seu volume a 0°C para cada variação de 1 grau Celsius em sua temperatura, desde que a pressão se mantenha constante. Os cientistas também descobriam que a pressão de qualquer gás, contido em um recipiente qualquer com volume fixo, varia em 1/273 de seu valor a 0°C para cada alteração de 1 grau Celsius em sua temperatura. Essas diminuições em 1/273 para cada diminuição de um grau sugere a ideia de que existe um mínimo para a temperatura: -273°C. De modo que existe um limite para o frio. Quando os átomos e moléculas perdem toda sua energia cinética disponível, eles atingem a temperatura de zero absoluto, onde nenhuma energia extra pode ser extraída de uma substância qualquer e tampouco é possível haver qualquer redução adicional da temperatura. A escala de temperatura absoluta é chamada de escala Kelvin. O zero absoluto vale 0 K (zero Kelvin).
Energia interna
Existe uma enorme quantidade de energia guardada em todos os materiais. Sabemos que existe uma vasta quantidade de energia associada com os núcleos atômicos. Também existe a “energia de existir” descrita para a célebre equação de Einstein, E=mc² (equivalência massa-energia). A energia dentro de uma substância encontra-se nessas e em outras formas, as quais, quando consideradas conjuntamente, formam o que chamamos de energia interna. Variações na temperatura indicam tais mudanças na energia interna.
Primeira lei da termodinâmica
Quando a lei da conservação da energia é estendida para incluir o calor, chamamos de primeira lei da termodinâmica. Podemos resumi-la assim: “Quando flui calor para um sistema ou para fora dele, o sistema ganha ou perde uma quantidade de energia igual à quantidade de calor transferido.” A primeira lei é um princípio geral que não diz respeito ao funcionamento interno do próprio sistema. Sejam quais forem os detalhes de comportamento molecular do sistema, a energia térmica adicionada serve apenas para duas funções: aumentar a energia interna do sistema ou capacitar o sistema a realizar trabalho externo (ou ambos). A termodinâmica é uma ponte entre os mundos microscópico e macroscópico.
Processos adiabáticos
Se um gás é comprimido ou expandido sem que nenhum calor entre ou saia do sistema, a transformação é chamada de processo adiabático. Nesse processo, portanto, como nenhum calor entra ou sai, a parte do “calor adicionado” na primeira lei da termodinâmica deve ser igualada a zero. De modo que sob condições adiabáticas, as variações de energia são iguais ao trabalho realizado pelo, ou sobre, o sistema.
 A meteorologia e a Primeira Lei
 A temperatura do ar aumenta quando calor é adicionado ou quando a pressão aumenta. Existem alguns processos atmosféricos em que a quantidade de calor adicionado ou retirado é muito pequena, suficiente para que o processo seja aproximadamente adiabático. Processos adiabáticos na atmosfera são característicos de grandes porções de ar, com dimensões que vão desde algumas dezenas de metros até vários quilômetros. Quando as regiões mais altas da atmosfera estão mais quentes do que as regiões mais baixas, temos uma inversão de temperatura. Se qualquer ar que se eleve for mais denso do que esta camada superior de ar quente, ele deixará de subir daí em diante. Porções adiabáticas de fluídos não estão restritas à atmosfera, e as variações que ocorrem nelas não são necessariamente rápidas.
A segunda lei da termodinâmica
Máquina térmica: qualquer dispositivo que converta energia interna em trabalho mecânico. A ideia básica por trás de toda máquina térmica é que o trabalho mecânico pode ser obtido somente quando o calor flui de uma temperatura alta para uma temperatura baixa. Em toda máquina térmica somente uma parte do calor é convertido em trabalho. A segunda lei nos garante que nenhuma máquina térmica pode converter todo o calor que lhe é fornecido em energia mecânica. Apenas parte do calor pode ser transformado em trabalho, com o restante sendo expelido durante o processo. Toda máquina térmica rejeita algum calor, o que pode ser desejável ou indesejável. Apesar do atrito ser o principal responsável pela ineficiência de muitos dispositivos, no caso das máquinas térmicas o conceito dominante é a segunda lei da termodinâmica; apenas parte do calor fornecido pode ser convertido em trabalho, mesmo que não houvesse atrito algum.
A ordem tende para desordem
A primeira lei da termodinâmica estabelece que a energia não pode ser criada nem destruída. Ela se refere à quantidade de energia. A segunda lei qualifica isso, acrescentando que a forma que a energia assume nas diversas transformações de que participa acaba se “deteriorando” em formas menos úteis de energia. Ela se refere à “qualidade” da energia, quando a energia torna-se mais difusa e finalmente acaba degenerando em dissipação. Outra forma de expressar isso é dizer que a energia “organizada” (concentrada e, portanto, energia de alta utilidade ou qualidade) acaba degenerando uma energia “desorganizada” (com baixa utilidade ou qualidade). A ordem relativa converte-se em desordem. na natureza não ocorrem processos em que da desordem se retorna à ordem sem qualquer interferência externa. A energia desordenada pode ser convertida para uma forma ordenada de energia, mas apenas à custa da realização de algum esforço organizado ou trabalho.
Entropia
A ideia de rebaixamento na “qualidade” da energia está embutida na ideia de entropia, uma medida da quantidade de desordem em um sistema. A segunda lei estabelece que a entropia, afinal de contas, sempre aumenta. Sempre que um sistema pode distribuir livremente sua energia, ele sempre o faz de maneira que a entropia cresce, enquanto diminui a energia do sistema que permanece disponível para a realização de trabalho. A primeira lei da termodinâmica é uma lei universal da natureza para a qual nunca se observou exceções. A segunda lei, entretanto, é um enunciado probabilístico. Transcorrido tempo suficiente, mesmo o mais improvável dos estados pode ocorrer; a entropia pode chegar a diminuir.