Noções de Termodinâmica

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BIOFÍSICA LUIZA LOPES CARVALHO 
Nocoes de Termodinamica 
 A Termodinâmica surgiu como uma ciência clássica no 
Século 17, na época em que os cientistas começaram 
a estudar o comportamento da matéria (sólida, líquida 
e gasosa) sob o efeito do calor em suas diversas 
condições. Entretanto, apenas a partir do século 18 
que essa área da física passou a ser amplamente 
estudada, em virtude da invenção da máquina a vapor 
– Revolução Industrial. 
 A Termodinâmica é o ramo da física que estuda o 
comportamento de todas as modalidades de energia, 
bem como suas alterações com a matéria. Portanto, 
as mesmas leis da Termodinâmica são aplicáveis a 
todo o sistema sob efeito de transferência de energia, 
em qualquer uma de suas modalidades (térmica, 
elétrica, nuclear, luminosa, mecânica, magnética, 
acústica etc). 
 
Calor e Entropia: 
 Em um experimento com o copo d’água, sob 
determinado nível de calor (energia), as moléculas de 
água em estado líquido mantêm certa organização. As 
ligações de hidrogênio fazem com que as moléculas 
permaneçam ‘’unidas’’, mantem uma determinada 
agitação. Com o acréscimo de calor, as moléculas 
aumentam sua cinética, chocam-se continuamente e 
afastam-se uma das outras, em decorrência do 
rompimento dessas ligações de hidrogênio. A água se 
transformou em gás (vapor), logo esse recipiente 
torna-se pequeno em virtude da grande agitação das 
moléculas  Gás se expande ocupando todos os 
espaços, elevando a pressão. Se, contudo, esfriarmos 
esse gás -retirando calor-, as moléculas voltarão a se 
unir formando água em estado líquido. Retirando 
ainda mais calor, as moléculas praticamente cessarão 
sua movimentação e se organizarão simetricamente, 
solidificando-se. 
 
Quanto mais energia (calor), mais pressão, mais 
expansão, mais movimento, menos certezas e menos 
ordem. 
 
 
 No exemplo citado, percebe-se a desordem das 
moléculas de água após o aumento de calor. Existe um 
conceito físico que define o grau de desordem em um 
sistema: Entropia. 
 
Quanto maior a Entropia, maior a desordem e menor 
a certeza de onde se encontra determinada partícula. 
 
Certeza e Incerteza: 
 O melhor modelo para descrever o funcionamento da 
natureza de maneira mais realista não é o modelo 
determinístico, mas sim o modelo probabilístico. 
 Uma característica fundamental relacionada com a 
incerteza na natureza é a importância das condições 
iniciais. 
 
MODELO DETERMINÍSTICO: Modelo no qual, uma vez 
conhecidas as condições iniciais, pode-se prever com 
certeza seu desfecho. 
 
MODELO PROBABILÍSTICO: Modelo no qual, ainda que 
se conheçam as condições iniciais, seu desfecho não 
pode ser previsto com certeza, apenas a partir de 
estimativas. 
 
 Todo processo não determinístico (ou seja, que não 
pode ser previsto com certeza) é conhecido como 
processo caótico. 
 Desordem não é caos; Desordem é Entropia; Caos é 
imprevisibilidade. 
 
Movimento Browniano: 
 O cientista Albert Einstein elucidou a dúvida de Robert 
Brown quanto ao movimento de grãos de pólen na 
água  O pólen é imóvel, a única explicação para o 
movimento era a de que dentro da água ocorria um 
movimento contínuo e aleatório de suas moléculas 
(conjunto de átomos) e a colisão delas com o pólen 
fazia com que ele se movesse  Primeira 
demonstração experimental da existência do átomo. 
 Com a Física Quântica, pode-se descobrir que o 
Movimento Browniano ocorre porque as partículas 
subatômicas estão constantemente em movimento 
aleatório. Ou seja, no universo nada está em 
completo repouso, onde existe matéria, existe 
movimento. 
BIOFÍSICA LUIZA LOPES CARVALHO 
 Nos gases, por exemplo, em que as interações 
moleculares são mínimas, o movimento das moléculas 
é ainda mais rápido e imprevisível. 
 Movimento Browniano Movimento aleatório de 
partículas em um fluido, como consequência dos 
choques das moléculas do fluido nas partículas. Logo, 
a Temperatura é a medida da intensidade do 
Movimento Browniano em um corpo. 
 
OBS: Sistemas Caóticos 
1-Dinâmico  Alterar-se à medida que o tempo 
passa. 
2-Não linear  Sua resposta não ser proporcional à 
perturbação. 
3-Ser muito sensível a perturbações mínimas de seu 
estado inicial Uma alteração desprezível no 
presente pode causar, a longo prazo, uma mudança 
imprevisível. 
 
Sistemas: 
 Um sistema é caracterizado pela coletividade 
(conjunto de elementos que constituem o sistema) e 
pela energia existente no sistema. 
 A energia do sistema é determinada pelas interações 
entre os elementos da coletividade. 
 O menor sistema possível seria aquele composto por 
duas partículas quaisquer que interagem entre si. Já o 
maior sistema possível seria o próprio universo. 
 
CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS: 
-Como já foi mencionado, na natureza tudo está em 
movimento, o qual é determinado pelas partículas 
(atômicas e subatômicas) constituintes da matéria. 
Partículas em movimento aleatório chocam-se e essa 
colisão limita o movimento, produzindo o Atrito  
Produz energia na forma de calor (Entropia), o qual 
não é capaz de realizar trabalho, logo representa uma 
energia dissipada. 
 
SISTEMA CONSERVATIVO: 
-É aquele no qual não ocorre perda de energia sob 
forma de calor enquanto seus elementos interagem 
entre si. 
-Somente existe em modelos teóricos, uma vez que 
representa um sistema em que as interações 
ocorreriam para sempre, sem a necessidade de 
intercâmbio de energia. 
SISTEMA DISSIPATIVO: 
-É um sistema no qual ocorre perda de energia sob 
forma de calor quando os seus elementos interagem. 
-Como ocorre dissipação em forma de calor, há 
desordem no entorno do sistema, produzindo 
entropia. 
 
CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS: 
-Complexidade: 
*Sistema cujos elementos interagem por meio de 
numerosas relações de interdependência ou de 
subordinação. 
*Um sistema é tão complexo quanto maior a 
quantidade de informação necessária para descrevê-
lo. 
*Quanto mais heterogêneos os elementos de um 
sistema, maior a complexidade. 
*Quanto maior a complexidade das trocas energéticas 
que ocorrem entre os elementos de um sistema, 
maior a complexidade deste sistema. 
 
-Imprevisibilidade: 
*Os sistemas menos complexos são, em geral, mais 
previsíveis, enquanto os complexos apresentam maior 
imprevisibilidade. 
*Quanto mais complexo for um sistema, menos 
previsível ele será. 
 
-Equilíbrio energético: 
*Todo sistema dissipativo pode, ao longo do tempo, 
entrar em equilíbrio com o meio que o circunda. 
*O equilíbrio energético se dá quando não ocorre mais 
troca de energia com o entorno. 
 
-Estabilidade: 
* É aquele que mantém sua configuração ao longo do 
tempo. 
*Quanto mais estável é um sistema, mais previsível 
ele é. É o oposto de sistema caótico. 
*Se algo ocorre longe do equilíbrio termodinâmico, é 
porque se dá à custa de trocas energéticas. 
 
-Padrões: 
*Configuração que ocorre com maior frequência na 
natureza. 
 
 
BIOFÍSICA LUIZA LOPES CARVALHO 
*Quanto maior a probabilidade de uma configuração 
ocorrer, maior a probabilidade dessa configuração 
constituir um padrão. 
 
Leis da Termidinâmica: 
 Foram postuladas e sistematizadas por diversos 
cientistas ao longo dos séculos XIX e XX. São uma 
tentativa de sistematizar os princípios físicos que 
regem o fluxo de energia entre os sistemas. São 4 leis: 
 
-Lei zero da Termodinâmica  Se dois sistemas estão 
em equilíbrio térmico com um terceiro, logo esses 
dois sistemas estão em equilíbrio térmico entre sim. 
 
-PrimeiraLei da Termodinâmica/ Lei da Conservação 
de Energia A quantidade de energia que entra em 
um sistema é a mesma que sai desse sistema. 
 
-Segunda Lei da Termodinâmica A energia só flui 
espontaneamente de um sistema quente para um 
sistema frio. 
 
-Terceira Lei da Termodinâmica No zero Kelvin não 
há produção de energia.