Introdução à Termodinâmica

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Termodinâmica 
 
A termodinâmica é um ramo da física que lida com calor, trabalho e temperatura e sua relação 
com a energia, radiação e propriedades físicas da matéria. O comportamento dessas 
quantidades é governado pelas quatro leis da termodinâmica que transmitem uma descrição 
quantitativa usando quantidades físicas macroscópicas mensuráveis, mas podem ser explicadas 
em termos de constituintes microscópicos pela mecânica estatística. A termodinâmica se aplica 
a uma ampla variedade de tópicos na ciência e engenharia, especialmente físico-química, 
engenharia química e engenharia mecânica, mas também em outros campos complexos, como 
meteorologia. 
 
Historicamente, a termodinâmica se desenvolveu a partir do desejo de aumentar a eficiência 
das primeiras máquinas a vapor, principalmente por meio do trabalho do físico francês Nicolas 
Léonard Sadi Carnot (1824), que acreditava que a eficiência do motor era a chave para ajudar a 
França a vencer as Guerras Napoleônicas. 
O físico escocês-irlandês Lord Kelvin foi o primeiro a formular uma definição concisa de 
termodinâmica em 1854, que afirmou: " Termodinâmica é o assunto da relação do calor com as 
forças que atuam entre partes contíguas dos corpos, e a relação do calor com a agência elétrica." 
A aplicação inicial da termodinâmica a motores térmicos mecânicos foi rapidamente estendida 
ao estudo de compostos químicos e reações químicas. A termodinâmica química estuda a 
natureza do papel da entropia no processo de reações químicas e forneceu a maior parte da 
expansão e do conhecimento do campo. Outras formulações da termodinâmica surgiram. A 
termodinâmica estatística, ou mecânica estatística, preocupa-se com a estatística de previsões 
do movimento coletivo das partículas a partir de seu comportamento microscópico. Em 1909, 
Constantin Carathéodory apresentou uma abordagem puramente matemática em uma 
formulação axiomática, uma descrição muitas vezes referida como termodinâmica geométrica. 
descrição de qualquer sistema termodinâmico emprega as quatro leis da termodinâmica que 
formam uma base axiomática. A primeira lei especifica que a energia pode ser trocada entre 
sistemas físicos como calor e trabalho. A segunda lei define a existência de uma quantidade 
chamada entropia, que descreve a direção, termodinamicamente, que um sistema pode evoluir 
e quantifica o estado de ordem de um sistema e que pode ser usada para quantificar o trabalho 
útil que pode ser extraído do sistema. 
 
Na termodinâmica, as interações entre grandes conjuntos de objetos são estudadas e 
categorizadas. No centro disso estão os conceitos do sistema termodinâmico e seus arredores. 
Um sistema é composto de partículas, cujos movimentos médios definem suas propriedades, e 
essas propriedades, por sua vez, estão relacionadas entre si por meio de equações de estado. 
As propriedades podem ser combinadas para expressar energia interna e potenciais 
termodinâmicos, que são úteis para determinar as condições de equilíbrio e processos 
espontâneos. 
 
 
Com essas ferramentas, a termodinâmica pode ser usada para descrever como os sistemas 
respondem às mudanças em seu ambiente. Isso pode ser aplicado a uma ampla variedade de 
tópicos na ciência e engenharia, como motores, transições de fase, reações químicas, 
fenômenos de transporte e até mesmo buracos negros. Os resultados da termodinâmica são 
essenciais para outros campos da física e de química, engenharia química, engenharia de 
corrosão, engenharia aeroespacial, engenharia mecânica, biologia celular,engenharia 
biomédica, ciência dos materiais e economia, para citar alguns. 
O estudo dos sistemas termodinâmicos desenvolveu-se em vários ramos relacionados, cada um 
usando um modelo fundamental diferente como uma base teórica ou experimental, ou 
aplicando os princípios a vários tipos de sistemas. 
 
Termodinâmica clássica 
A termodinâmica clássica é a descrição dos estados dos sistemas termodinâmicos em quase 
equilíbrio, que usa propriedades macroscópicas mensuráveis. É usado para modelar trocas de 
energia, trabalho e calor com base nas leis da termodinâmica. O qualificador clássico reflete o 
fato de que representa o primeiro nível de compreensão do assunto conforme se desenvolveu 
no século 19 e descreve as mudanças de um sistema em termos de parâmetros empíricos 
macroscópicos (grande escala e mensuráveis). Uma interpretação microscópica desses 
conceitos foi fornecida posteriormente pelo desenvolvimento da mecânica estatística. 
 
Mecânica estatística 
A mecânica estatística, também chamada de termodinâmica estatística, surgiu com o 
desenvolvimento das teorias atômicas e moleculares no final do século 19 e início do século 20, 
e complementou a termodinâmica clássica com uma interpretação das interações microscópicas 
entre partículas individuais ou estados quânticos. Este campo relaciona as propriedades 
microscópicas de átomos e moléculas individuais às propriedades macroscópicas em massa de 
materiais que podem ser observados na escala humana, explicando assim a termodinâmica 
clássica como um resultado natural da estatística, mecânica clássica e teoria quântica no nível 
microscópico. 
 
Termodinâmica química 
A termodinâmica química é o estudo da inter-relação da energia com as reações químicas ou 
com uma mudança física de estado dentro dos limites das leis da termodinâmica. 
Termodinâmica de equilíbrio 
Termodinâmica de equilíbrio é o estudo das transferências de matéria e energia em sistemas ou 
corpos que, por agências em seu entorno, podem ser movidos de um estado de equilíbrio 
termodinâmico para outro. O termo 'equilíbrio termodinâmico' indica um estado de equilíbrio, 
no qual todos os fluxos macroscópicos são zero; no caso dos sistemas ou corpos mais simples, 
suas propriedades intensivas são homogêneas e suas pressões são perpendiculares a seus 
limites. Em um estado de equilíbrio, não há potenciais desequilibrados, ou forças motrizes, entre 
partes macroscopicamente distintas do sistema. Um objetivo central na termodinâmica de 
equilíbrio é: dado um sistema em um estado de equilíbrio inicial bem definido, e dados seus 
arredores, e dadas suas paredes constitutivas, 
A termodinâmica de não equilíbrio é um ramo da termodinâmica que lida com sistemas que não 
estão em equilíbrio termodinâmico. A maioria dos sistemas encontrados na natureza não está 
em equilíbrio termodinâmico porque eles não estão em estados estacionários e estão contínua 
e descontinuamente sujeitos ao fluxo de matéria e energia de e para outros sistemas. O estudo 
termodinâmico de sistemas de não equilíbrio requer conceitos mais gerais do que os tratados 
pela termodinâmica de equilíbrio. Muitos sistemas naturais ainda hoje permanecem além do 
escopo dos métodos termodinâmicos macroscópicos atualmente conhecidos.