Introdução às Ciências Físicas Aula 04

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Introdução às Ciências Físicas
Aula 4: Os princípios da termodinâmica
Apresentação
A termodinâmica estuda os fenômenos térmicos envolvendo a condução de calor, os processos termodinâmicos, as leis
da termodinâmica, as máquinas térmicas e as estatísticas termodinâmicas.
Os conceitos da termodinâmica evoluíram substancialmente desde a antiga teoria do calórico, até a moderna
termodinâmica do equilíbrio, teoria cinética da matéria condensada e a física estatística. Comumente usamos esses
conceitos em nosso dia a dia, seus fenômenos e leis físicas, mas nem sempre da maneira mais adequada. Vamos iniciar
com os conceitos mais elementares, e discutir sua linguagem e uso, para de�ni-los de maneira correta.
Nesta aula, portanto, estudaremos os conceitos e princípios das ciências térmicas, temperatura e calor, o equilíbrio
térmico, o �uxo de calor, o estado termodinâmico e a energia interna, a conservação da energia e a 1ª lei da
termodinâmica, a entropia, e a 2ª lei da termodinâmica, os ciclos termodinâmicos.
Objetivos
De�nir os conceitos e princípios da termodinâmica;
Reconhecer as grandezas físicas da Mecânica Clássica;
Compreender as relações entre os princípios da Mecânica Clássica e suas grandezas físicas.
Conceitos e princípios da termodinâmica
Todos os dias usamos os conceitos termodinâmicos para nos referirmos ao clima, à meteorologia e aos fenômenos térmicos.
Cada vez mais estamos atentos às questões climáticas, aos eventos meteorológicos e mudanças do clima e de nosso
ecossistema, sendo a termodinâmica ciência chave a essas questões.
Vamos iniciar nossa discussão com os conceitos mais fundamentais da termodinâmica, seu uso, e vamos aproveitar para
de�ni-los de forma correta.
Sempre que ouvimos informações sobre a previsão do clima, que é incorretamente chamada de previsão do tempo, como se
fôssemos ouvir previsões de acontecimentos de tempos futuros, mas que se trata da previsão meteorológica, pensamos nos
conceitos termodinâmicos, sabia?
Calor
Vamos começar com o conceito de calor. O que é calor,
a�nal?
No passado, na antiga e insipiente teoria do calórico,
acreditava-se que os materiais pudessem acumular,
armazenar quantidades de calórico. Hoje em dia, com a
moderna Teoria Termodinâmica, interpretamos o conceito
de calor, Q, como �uxo de energia térmica.
Calor é energia térmica em trânsito.
Assim, como não é possível armazenar �uxo, não será
possível armazenar calor.
 (Fonte: Unplash.com)
Veja outras grandezas físicas de�nidas como �uxo:
1
Vazão de água
2
Corrente elétrica
3
Fluxo de ar (vento)
Não é possível acumular, guardar nem vazão, nem corrente elétrica, nem vento.
Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online
A corrente elétrica surge de uma diferença de potencial elétrico (ddp), vazão
e vento surgem de diferenças de pressão. Se interrompermos a linha de
corrente, deixará de haver o �uxo. Assim, �uxo não é grandeza acumulável.
Só existe calor quando há diferença de energia térmica, que vamos caracterizar, mais a frente, por uma diferença de
temperatura, ou melhor dizendo, um gradiente de temperatura.
Então, dois sistemas termodinâmicos, em diferentes estados térmicos, o que signi�ca estarem em diferentes estados de
agitação molecular, temperatura, quando em contato térmico, trocarão energia térmica por meio de calor.
Atenção
Novamente, calor não é energia térmica, calor é �uxo de energia térmica, ou seja, energia térmica em trânsito. Podemos
simpli�car o conceito de energia térmica, por estado de agitação ou vibração molecular. Sistemas com grande energia térmica,
possuem grande agitação, vibração molecular.
Calor X temperatura
Calor e Temperatura são conceitos completamente
diferentes. Não podemos usá-los como sinônimos, não
podemos falar “hoje está calor...” porque calor não se
guarda, calor �ui.
Podemos dizer “eu sinto calor”, mas não “estou com calor”,
para nos referirmos à linguagem coloquial.
Se quisermos dizer que um dia está quente ou frio, a partir
de nossas sensações táteis de temperatura, devemos dizer
“o dia está quente” e não “o dia está calor”, que é
completamente incorreto do ponto de vista cientí�co do
conceito de �uxo de energia térmica.
 (Fonte Unplash.com)
 Exemplo 
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Exemplo
Tomemos dois sistemas termodinâmicos diferentes, isolados da vizinhança (chamamos de vizinhança, ou universo,
tudo que não for parte de nosso sistema termodinâmico), em estados térmicos diferentes, estados de agitação
molecular diferentes (Figura a).
Consideremos, agora, que esses dois sistemas estejam em contato térmico (Figura b), que possam trocar energia
térmica, mas não o possam com a vizinhança, pois estão isolados termodinamicamente dessa vizinhança.
É fácil compreender que, como os dois sistemas estão em contato térmico, trocarão energia térmica Q, pois estão em
estados térmicos diferentes.
Não há troca de matéria, nesse problema, apenas de energia térmica. Então, como há um desequilíbrio térmico entre
os dois sistemas, haverá calor, Q, entre esses dois sistemas, até que o equilíbrio térmico seja alcançado.
A natureza tende ao equilíbrio termodinâmico. Assim, passado um intervalo de tempo �nito, os dois sistemas
alcançarão um mesmo estado térmico intermediário (Figura c), sem que tenha havido troca de matéria neste
problema.
Durante a fase de desequilíbrio térmico (Figura b), veri�ca-se a existência de calor, Q, trânsito de energia térmica, até
que o equilíbrio térmico seja atingido.
Alcançado o equilíbrio térmico entre os dois sistemas, não haverá mais calor (Figura c). Só há calor durante o
desequilíbrio térmico, após o equilíbrio não há mais calor.
 https://images.app.goo.gl/mzx8wJf9h5e7HhVD7
Energia interna
Os sistemas termodinâmicos acumulam energia termodinâmica, que chamamos de energia interna, com a composição de
duas parcelas, a energia térmica e a energia potencial química. O calor não é acumulável, como vimos, e se presta a restaurar o
equilíbrio térmico. Cessado o desequilíbrio térmico, não há mais calor.
Exemplo
Se colocarmos um copo de água resfriada na janela, em um dia quente, após um intervalo de tempo �nito, durante o qual há calor
orientado do ambiente quente dirigido ao copo com água resfriada, os dois sistemas entrarão em equilíbrio térmico, o que
poderemos veri�car por medidas de temperatura. 
 
Então, após o equilíbrio térmico, ainda que a temperatura da água no copo esteja bem mais elevada que inicialmente, com maior
agitação molecular, não haverá mais calor entre esses dois sistemas, ambiente e copo com água na janela.
 Então, por que em um dia quente temos a sensação contínua de calor? 
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Então, por que em um dia quente temos a sensação contínua de calor?
Nós somos sistemas biológicos complexos, com sistemas de resfriamento por meio de trocas volumétricas de �uidos
e processos de resfriamento por meio de suor. Assim, como resfriamos as partes de nosso corpo que foram
aquecidas, continuamos a receber calor, pois continuará a haver diferenças térmicas com o ambiente, nessas
situações.
Assim, nossa sensação de continuamente recebermos calor não é incorreta, visto que o desequilíbrio permanece. Se o
ser humano não dispusesse desses sistemas de resfriamento corporal, por suor, depois de um intervalo de tempo,
alcançado o equilíbrio térmico, não haveria mais calor, mas isso certamente con�itaria com a vida.
É preciso cuidado com os conceitos de calor e temperatura, e nossas sensações táteis humanas; podemos ser
levados a erros de interpretação.
Exemplo
Se colocarmos uma das mãos em um recipiente com água quente e a outra mão em um recipiente com gelo e, depois
de um intervalo de tempo, colocarmos ambas as mãos em um terceiro recipiente com água à temperatura ambiente,
teremos a ambígua e simultânea sensação da água ambiente estar quente e fria; quente para uma das mãos e fria
para a outra mão, apesar de ser a mesma água à mesma temperatura ambiente.
Outro típico erro de interpretação de fenômenos térmicos por sentidos táteishumanos, diz respeito à nossa sensação
ao tocarmos diferentes corpos, um sendo melhor condutor térmico, metal, por exemplo, e outro isolante térmico,
madeira, por exemplo.
Certamente teremos a sensação de o corpo metálico estar mais frio do que o corpo de madeira. Mas se ambos os
corpos, metal e madeira, estiverem no mesmo ambiente térmico, que chamamos de mesmo banho térmico, como
explicamos essas diferenças ambíguas de sensações térmicas?
O metal nos parece mais frio por ser melhor condutor térmico do que o ar ambiente. Já a madeira é bom isolante
térmico, comparado ao metal. Então, nossa sensação tátil de temperatura não será correta, pois os dois materiais
estão no mesmo banho térmico e, portanto, à mesma temperatura.
Então, se duas caldeiras contendo metais fundidos, em uma siderúrgica, a temperaturas elevadíssimas, estiverem em
contato, veri�caremos calor entre elas, mas atingido o equilíbrio térmico entre esses dois sistemas, não haverá mais
calor entre os dois sistemas, ainda que haja calor entre as caldeiras e a vizinhança.
Os dois sistemas terão equilibrado seus estados térmicos a temperaturas muito altas, comparadas à temperatura da
vizinhança e, após um longo intervalo de tempo, também poderemos veri�car o equilíbrio térmico entre as caldeiras e a
vizinhança, deixando de haver calor também entre os sistemas caldeiras e a vizinhança.
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Equilíbrio térmico e temperatura
O princípio do equilíbrio térmico é um conceito fundamental das ciências termodinâmicas. Todos os sistemas, quando em
contato, tendem ao equilíbrio térmico após um intervalo de tempo �nito.
Então, se tomarmos três diferentes sistemas termodinâmicos, em estados térmicos diferentes, estados de agitação molecular
diferentes, colocarmos os três em contato dois a dois, sem troca de matéria, e isolarmos o sistema-conjunto do universo, com
paredes de isolamento térmico, desconsiderando qualquer interação dessas paredes com os três sistemas de forma ideal,
após um intervalo de tempo �nito, os sistemas entrarão em equilíbrio térmico dois a dois e, ao �nal, todo o conjunto estará em
equilíbrio térmico.
Esse princípio da natureza de�ne nosso conceito de temperatura. Diferentemente do conceito de calor, temperatura é
caracterizada pelo equilíbrio térmico. Calor existe quando há desequilíbrio térmico. Medir temperatura, signi�ca buscar o
equilíbrio térmico. Esse princípio é conhecido como Lei Zero da Termodinâmica.
 Lei Zero da Termodinâmica. Disponível em: https://1.bp.blogspot.com/. Acesso em: 14 ago. 2019.
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Exemplo
Quando uma criança está febril, precisamos medir sua temperatura. Tomamos, então, um termômetro, que é um
sistema termodinâmico com propriedades termométricas, capazes de nos indicar alterações termodinâmicas por
meio de efeitos de expansão volumétrica, caso dos termômetros de coluna de mercúrio, ou diferença de potencial,
caso dos termômetros termopares digitais etc.
Então, colocamos o sistema termodinâmico “termômetro” em contato com o sistema termodinâmico “criança febril”.
Haverá calor entre os sistemas, pois estão em desequilíbrio térmico.
Após um intervalo de tempo �nito, cessado o calor, teremos o equilíbrio térmico e, assim, veri�cando o efeito
termométrico no sistema “termômetro”, uma marcação na escala do sistema, teremos a medida do estado de
equilíbrio térmico, o que chamaremos de temperatura.
Então, medir a temperatura é buscar o equilíbrio térmico com sistemas de referência. Temperatura, então, é uma
medida indireta e relativa do estado de equilíbrio termodinâmico entre os dois sistemas. Indireta, pois se utiliza do
princípio do equilíbrio térmico, e relativa pois veri�camos esse equilíbrio com uma escala de medidas relativa aos
fenômenos termométricos e de observação.
 (Fonte: VladisChern / Shutterstock)
Termômetros e escalas
Se uma substância ou material apresenta características termométricas, isto é, tem uma de suas variáveis termodinâmicas
alteradas com a variação de sua temperatura, ou tem uma de suas características ou parâmetros alterados com a temperatura,
ou reage diante de uma fonte térmica, pode ser possível usá-lo na construção de um termômetro.
Vários são os termômetros disponíveis para diversas aplicações:
1
Termômetro de coluna de mercúrio
A coluna de mercúrio expande-se quando ele é aquecido.
2
Termômetro de lâmina bimetálica
As lâminas dilatam-se diferentemente encurvando-se.
3
Termômetro a gás
Há expansão gasosa.
4
Termopar
Há geração de uma diferença de potencial elétrico, quando
em banho térmico.
5
Pirômetro
Detecta a intensidade luminosa radiante de fontes térmicas.
Todos têm propriedades termométricas que podem ser usadas na construção de um termômetro.
 Escalas termodinâmicas 
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Escalas termodinâmicas
Todos os termômetros necessitam de uma escala de medidas de temperatura, padronizada, para permitir a leitura do
fenômeno do equilíbrio térmico.
No passado, tínhamos inúmeras escalas termodinâmicas, cada uma construída a partir de variadas considerações. A
escala Celsius, tão utilizada, utiliza os pontos �xos termodinâmicos da água, entre o ponto de congelamento e de
ebulição.
Associa-se a estes valores de 0 e 100 graus e, então, divide-se o intervalo em centésimos. Outras escalas utilizaram
outros padrões.
É sempre possível construir uma escala de medidas de temperatura, relativa a fenômenos da natureza ou convenções.
O padrão de escala de temperatura no sistema internacional é a escala Kelvin, hoje em dia reformulada em termos
da Constante de Boltzmann, constante fundamental da Natureza. A medida de temperatura em escala Kelvin é
chamada de temperatura termodinâmica, pois é reconhecida como a escala termodinâmica do SI.
Dilatação térmica
É muito comum ouvirmos de engenheiros que “todos os materiais trabalham”. Isso signi�ca que os materiais se dilatam,
aumentam de tamanho, quando submetidos a um banho térmico, ou seja, materiais submetidos a uma fonte térmica, dilatam-
se.
Considere uma barra de extensão linear de cobre. Se aquecermos essa barra, não importando por qual processo de
aquecimento, ela irá dilatar, expandir-se.
A dilatação ocorrerá em todas as direções espaciais. Podemos analisar essa dilatação do ponto de vista linear, super�cial ou
volumétrico.
Os materiais possuem coe�cientes de dilatação linear, super�cial e volumétrico que se relacionam. Para materiais isotrópicos,
que apresentam o mesmo comportamento de dilatação em toda a sua extensão volumétrica e de comportamento não exótico
(não anômalo), os coe�cientes de dilatação super�cial e volumétrico são relacionados ao coe�ciente de dilatação linear, com
mínimas variações.
Esses coe�cientes de dilatação linear podem ser usados para classi�car os materiais. Assim, por meio de experiências de
dilatação, podemos saber quais elementos estão presentes em um material.
A dilatação térmica é consequência do aumento do espaçamento molecular dos materiais quando aquecidos. Este fenômeno é
de especial interesse prático, pois deve ser levado em consideração em cálculos de estruturas de engenharia e quaisquer
projetos onde fenômenos térmicos possam atuar, desde um simples e antigo disjuntor termoelétrico, presente em nossas
instalações elétricas, estruturas de concreto e metálicas, até maquinas térmicas e equipamentos submetidos a efeitos e
fenômenos térmicos.
Materiais, equipamentos e máquinas submetidos a dilatações térmicas e tensões de esforço sofrem desgastes.
 Junta de expansão vertical permite a expansão térmica das peças unidas sem fratura ou fissura. Dilatação
conjunta entre dois blocos de edifícios. (Fonte: Pumbastyle / Shutterstock)
Transferência de energia térmica - calor
A transferência de energia térmica, calor, se apresenta por três classes de processos ou fenômenos diferentes:
Clique nos botões para ver as informações.
Quando sistemas termodinâmicos entram em contato físico, contato material, podendo equilibrarsuas energias térmicas,
onde vale a antiga lei de resfriamento de Newton, quando a temperatura de um corpo decai exponencialmente com o
tempo, e a Lei de Fourier, onde o calor é proporcional ao gradiente de Temperatura, com �uxo orientado do sistema
termodinâmico com maior temperatura para o sistema com menor temperatura.
À esquerda, diagrama de comportamento da condução de calor para problemas com simetria plana, diretamente
proporcional à diferença de temperatura entre as superfícies 1 e 2 e inversamente proporcional à distância entre as
superfícies planas. Por exemplo, uma parede onde de um lado a temperatura é T1 e do outro a temperatura é T2.
Para problemas com simetrias cilíndricas, diagrama à direita, o comportamento do �uxo de calor será logarítmico no raio
cilíndrico e proporcional à diferença de temperatura.
Para problemas com simetria esférica, o �uxo de calor terá comportamento proporcional à diferença de temperatura e ao
produto dos raios e inversamente proporcional à diferença entre os raios esféricos maior e menor de uma casca esférica.
Contato ou condução 
 (Fonte: Wikimedia)
javascript:void(0);
Quando materiais ou sistemas termodinâmicos emitem radiação eletromagnética, a distância, capaz de excitar moléculas
nos sistemas termodinâmicos de sua vizinhança. 
 
Radiação eletromagnética são ondas eletromagnéticas, i.e., raios cósmicos, raios gamma, raios X, radiação ultravioleta,
ondas de rádio e sinais de tv, luz visível, radiação infravermelha, micro-ondas etc., constituindo um espectro contínuo de
comprimentos de onda eletromagnéticos.
Radiação 
 Por EM_spectrum.svg:Rurykderivative work: Ruryk (talk) - EM_spectrum.svg, CC BY-SA 3.0. (Fonte: Wikimedia)
javascript:void(0);
Todas as radiações eletromagnéticas emitidas transportam energia que, quando absorvidas por materiais e sistemas
termodinâmicos, excitam suas moléculas elevando seus estados térmicos, i.e., seus estados vibracionais. 
 
O �uxo de calor é proporcional à quarta potência da temperatura da fonte emissora de radiação, proporcional à constante
de emissividade da fonte e à Constante de Stefan-Boltzmann. 
 
Chama-se Lei de Stefan-Boltzmann, o fenômeno da transferência de energia térmica, calor, por radiação térmica. Todos
os comprimentos de onda radiantes transmitem energia, mesmo a baixas temperaturas, sendo mais intenso o �uxo de
calor, proporcional à intensidade radiante, quanto maior for a temperatura do emissor. 
 
A curva característica espectral da Radiação de Corpo Negro, modelo ideal de absorção e emissividade máximas, da
intensidade luminosa versus comprimentos de onda, evidencia que, quanto mais quente a cavidade negra (sistema
termodinâmico), com temperaturas em Kelvin, maior o brilho luminoso (intensidade luminosa). 
 
Ao mesmo tempo, seus comprimentos de onda máximos, correspondentes aos ápices das curvas espectrais, tendem aos
menores valores, o que signi�ca maiores frequências luminosas. 
 
Comprimento de onda e frequência são inversamente proporcionais. Ao aumentar-se a temperatura, o ápice da curva
espectral tende aos menores comprimentos de onda. Ou seja, quanto mais quente um sistema termodinâmico, mais
intensa sua luz emitida e menor seu comprimento de onda (maior sua frequência) aproximando das faixas ultravioletas
(azuis). 
 
Quanto mais fria a curva espectral, com temperaturas Kelvin, os ápices das curvas se deslocam para faixas vermelhas;
resfriando ainda mais, os ápices das curvas se deslocam para comprimentos de onda não visíveis, infravermelhos. 
 
Os sistemas termodinâmicos a baixas temperaturas emitem radiação térmica, eletromagnética, em faixas não visíveis,
infravermelhas.
Todos os sistemas termodinâmicos emitem radiação térmica, a qualquer temperatura, mesmo a temperaturas baixas.
Dos que emitem luz visível, por estarem em estados térmicos elevados, grande temperatura, os mais azulados são mais
quentes e os mais avermelhados são, comparativamente, menos quentes.
Exemplo 
 
Para citar um exemplo prático, as lâmpadas são comercializadas e caracterizadas quanto à sua cor luminosa. Quanto
mais alta sua temperatura característica, por comparação à cavidade negra modelo, mais branca será sua luz, por conter
proporção maior de tons azuis. 
 
Quanto mais baixa sua temperatura característica, mais amarela será sua luz, por conter maior proporção de tons
vermelhos. 
 
De outra maneira, as Estrelas são sistemas termodinâmicos emissores de luz. Quanto mais quente sua fotosfera, mais
brilhante e azulada será sua luz, menos quente sua fotosfera menos brilhante e avermelhada sua luz.
 (Fonte: River Glennapts)
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É o processo de transferência de energia térmica, calor, quando há também troca de matéria. 
 
Sistemas climáticos apresentam calor por convecção, massas de gases quentes alcançam mais altas altitudes, por terem
baixas densidades volumétricas, transferindo energia térmica, calor, no processo. Veja o diagrama climático abaixo. 
 
Materiais aquecidos transferem energia térmica, calor, por meio de dissipadores de calor, onde correntes de ar levam
gases aquecidos da base do componente dissipador para cima, onde a vizinhança tem temperatura mais baixa. 
 
Em CPUs de computadores é muito comum o uso de dissipadores como o da foto.
Convecção 
É interessante notar que é muito comum que as três formas de transferência de energia térmica, calor, ocorram
simultaneamente: 
• Calor por condução; 
• Calor por radiação; e 
• Calor por convecção.
 (Fonte: Wikipedia)
Conservação de Energia e a 1ª Lei da Termodinâmica
O princípio de conservação da energia, tão comum às Ciências Físicas, não poderia deixar de ocorrer na termodinâmica.
Na Mecânica Clássica, o Teorema Trabalho-Energia de�ne uma energia mecânica total com uma contribuição cinética, de
movimento do sistema mecânico, e outra potencial, capaz de produzir movimento mecânico.
De�ne, ainda, o trabalho mecânico como igual à variação da energia cinética e também igual a menos a variação da energia
potencial (com sinal negativo), que são constantes entre dois estados mecânicos para quaisquer trajetórias mecânicas entre
eles, considerados sistemas mecânicos conservativos, com conservação da energia mecânica total.
Na termodinâmica de�ne-se a energia interna de um sistema termodinâmico com 3 contribuições:
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Exemplo 
 
Considere, por exemplo, uma lâmpada luminosa em funcionamento. 
• Por contato com camadas atmosféricas no entorno da lâmpada, temos calor por condução; 
• A luz emitida da lâmpada transmite energia térmica, então temos calor por radiação; 
• Os gases no entorno da mesma lâmpada, aquecem e, por diferenças de densidade volumétrica, sobem, fazendo com
que gases resfriados ocupem esse volume, transferindo calor por convecção.
Assim, em um simples exemplo corriqueiro, as três formas de calor ocorrem simultaneamente. No entanto, as proporções
de energia térmica transferidas não são iguais, variando de problema a problema.
1
A energia cinética tem origem no movimento e no
comportamento vibracional do sistema (energia térmica),
esta última caracterizada por seu estado térmico, sua
temperatura.
2
A energia potencial corresponde às interações com o
universo externo ao sistema termodinâmico (potenciais
gravitacionais e eletromagnéticos externos) e as
correspondentes às interações internas com moléculas,
íons e elétrons (energia química), esta última como
componente potencial capaz de transformações físico-
químicas.
3
A energia radiante corresponde à parcela de energia de
campos radiantes (eletromagnéticos) con�nados às
paredes que de�nem a fronteira do sistema termodinâmico,
energia de partículas luminosas (fótons) con�nadas.
Atenção
Em modelos termodinâmicos simples, podemos considerar somente a energia térmica + energia química, como constituintes da
energia interna, sem as contribuições típicas mecânicas de energias cinéticas e energias potenciais, nem energias radiantes.
Todo sistema termodinâmico em um estado termodinâmico é caracterizado por suaenergia interna, U, de�nida em termos
das chamadas variáveis, ou coordenadas, termodinâmicas de estado, como massa, pressão, volume, temperatura, número de
elementos, magnetização.
Chamaremos essas grandezas termodinâmicas de grandezas de estado, que só dependem do estado termodinâmico para
sua de�nição e valores, i.e., são preservadas em um processo termodinâmico de percurso fechado, cíclico, partindo de um
determinado estado e retornando ao mesmo estado termodinâmico.
Processo termodinâmico é o caminho termodinâmico, tendo em vista o calor e o trabalho mecânico necessários, para levar o
sistema de um estado termodinâmico inicial a outro �nal.
Assim, as grandezas calor, Q, e trabalho mecânico, W, não são grandezas de
estado, pois são processo-dependentes.
De outro modo, entre dois estados termodinâmicos, pode-se ter variados caminhos termodinâmicos (processos
termodinâmicos), com variação de calor e trabalho mecânico envolvidos.
Os estados termodinâmicos são caracterizados pelas coordenadas de estado, com sua energia interna do estado.
As coordenadas de estado só variam de estado para estado termodinâmico, não sendo dependentes de como um
determinado estado evolui para outro estado termodinâmico. Já calor e trabalho mecânico dependem do caminho de evolução
(processo) de um estado inicial a outro estado �nal.
 Estado e Grandeza extensiva 
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Estado e Grandeza extensiva
Estado
“Situação de um sistema em que são de�nidas as variáveis físicas e químicas necessárias para
caracterizá-lo univocamente. O estado dum gás, por exemplo, é caracterizado pela massa do gás,
pela pressão, pela temperatura, e pelo volume. A relação entre estas variáveis (denominadas de
variáveis de estado) é a equação de estado do gás.
Levando em conta a constituição discreta de qualquer sistema, distingue-se o estado macroscópico
(macroestado) do estado microscópico (microestado). O primeiro caracteriza-se pelas variáveis
intensivas e extensivas (massa, pressão, temperatura, volume, energia interna, magnetização etc.). O
segundo é caracterizado pelas variáveis pertinentes às suas partículas (massa, velocidade, energia
etc.). A cada macroestado, corresponde um grande número de estados microscópicos. Por isso, se
um sistema está num estado de equilíbrio, as suas coordenadas macroscópicas não variam, mas, as
microscópicas podem sofrer sensíveis modi�cações.
A determinação das propriedades macroscópicas dum sistema, a partir das propriedades
microscópicas, constitui um tema central da física estatística. (...)” (MACEDO, 1976)
Grandeza extensiva
“Diz-se de uma grandeza ou de uma variável de estado de um sistema que é diretamente proporcional
à sua massa. Opõe-se à (grandeza) intensiva, que caracteriza uma grandeza ou variável independente
da massa.
Entre as grandezas extensivas, são importantes o volume, a energia interna, e a entropia. Entre as
intensivas, são notáveis a pressão, a temperatura e o potencial químico. (...)” (MACEDO, 1976)
Diagramas Pressão-Volume
Descrevemos por meio de diagramas pressão-volume, os estados termodinâmicos com suas energias internas e os
processos, ou caminhos termodinâmicos, para evoluir o sistema entre diferentes estados.
A variação da energia interna entre dois estados é conservada pelo princípio de conservação da energia, podendo variar as
quantidades de calor e trabalho mecânico para diferentes processos termodinâmicos.
Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica, a equação que rege esse princípio de conservação da Energia Interna:
Atenção
A variação da energia interna entre dois estados termodinâmicos é igual ao calor subtraído do trabalho mecânico, em um
determinado processo, sendo invariante a variação de energia interna entre dois estados termodinâmicos, para quaisquer
processos entre esses estados.
O exemplo identi�ca um diagrama PV com estados
termodinâmicos 1, 2, 3 e 4, com suas energias internas, e os
processos termodinâmicos entre esses estados, com calor
e trabalho associados aos diferentes processos, que são
caminhos entre diferentes estados.
 (Fonte: MSPC)
Diferentes classes de processos termodinâmicos
javascript:void(0);
1
Processo isobárico
Quando não há variação de pressão num processo
termodinâmico entre dois estados.
2
Processo isocórico ou isovolumétrico
Quando não há variação de volume, num processo
termodinâmico. Tem como consequência o trabalho
mecânico nulo, nesse processo, por não haver variação de
volume.
3
Processo isotérmico
Quando não há variação de temperatura, num processo
termodinâmico. Geralmente associados a gases nobres,
que satisfazem à equação de estado dos gases nobres.
Pressão e volume variam de forma a preservar a
temperatura do sistema, nesse processo.
4
Processo adiabático
Quando não há calor sendo trocado nesse processo
termodinâmico.
No Diagrama PV abaixo, linhas representativas desses
processos termodinâmicos, também chamadas de
transformações termodinâmicas.
 Processo Isotérmico.(Fonte: e-disciplinas)
Entropia e a 2ª Lei da Termodinâmica
Sabemos que diversos sistemas termodinâmicos evoluem naturalmente, por processos termodinâmicos. Por exemplo, uma
fonte térmica fornecerá calor à sua vizinhança.
O �uxo térmico se estabelecerá orientado no sentido do sistema de maior temperatura para a sua vizinhança de menor
temperatura. No entanto, o processo inverso não se veri�ca naturalmente, ou seja, não veremos calor �uindo da vizinhança de
menor temperatura, para o sistema de maior temperatura. Não de forma natural, apesar de não violar a 1ª Lei da
Termodinâmica, caso se veri�casse.
Se cozinharmos um ovo para o jantar, fornecendo-lhe calor, não poderemos reobtê-lo em estado não cozido recebendo calor.
javascript:void(0);
Podemos transformar trabalho mecânico em calor integralmente, mas não
conseguimos obter integralmente trabalho mecânico por meio de calor.
Sistemas biológicos evoluem orientados no sentido do envelhecimento, de forma natural, mas não no sentido oposto.
Nenhuma dessas possibilidades de orientações de processos termodinâmicos violaria o princípio de conservação da energia,
por meio da 1ª Lei da Termodinâmica, mas simplesmente não ocorrem ou, alguns, não de forma natural.
Podemos produzir trabalho mecânico a partir de calor, mas com ine�ciências. Máquinas térmicas operam dessa forma, por
processos termodinâmicos cíclicos ine�cientes, por mais perfeita que seja a máquina térmica, não sendo uma questão
tecnológica.
Todas as máquinas térmicas ideais têm uma e�ciência teórica máxima, que
independe de seu design ou tecnologia.
 Exemplo 
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Exemplo
Um motor de combustão interna a gasolina, ciclo Otto, considerando um motor ideal, com um combustível ideal, não
superará e�ciência de 60%, assim como um motor a diesel ideal, ciclo Diesel, não superará e�ciência de 70%.
Os motores atuais, reais, a gasolina mais modernos e e�cientes não superam os 40% de e�ciência. Ou seja, nesses
últimos, 60% da energia consumida é desperdiçada em forma de calor liberado e, em pequena parte, por vibrações e
ruídos.
Refrigeradores e bombas de calor (refrigeradores invertidos que resfriam o ar externo, usados como aquecedores) são
máquinas cíclicas.
Para refrigerar uma câmara isolada, orientando calor no sentido da câmara para a vizinhança externa, o refrigerador
necessita de trabalho mecânico para operar, não sendo um processo natural. Além disso, também será ine�ciente.
As Bombas de calor orientam calor no sentido da vizinhança externa para a câmara, aquecendo-a, por meio de
trabalho mecânico, W, para operar. Ambos recebem calor de um reservatório a temperatura T , mais baixa, orientando-
o a um reservatório a temperatura T , mais alta, recebendo a ação de trabalho mecânico, W. Veja os diagramas abaixo:
Máquinas térmicas, também são máquinas cíclicas. Recebem calor de um reservatório quente a temperatura T
orientando-o a um reservatório a temperatura TC, mais frio, e executando trabalho mecânico, W, no processo,
transformado em energia cinética, movimento. Veja odiagrama abaixo.
L
H
h
 Máquina Térmica.
Enunciados equivalentes da 2ª Lei da Termodinâmica
A 2ª Lei da Termodinâmica se apresenta, basicamente, em dois enunciados equivalentes:
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“É impossível para qualquer sistema sofrer um processo termodinâmico no qual absorve calor, de um reservatório a uma
temperatura, e o converte (calor) completamente em trabalho mecânico, de modo que o sistema termine em um estado
idêntico ao inicial.”
Enunciado da Máquina Térmica (Kelvin e Planck) 
“É impossível a realização de qualquer processo termodinâmico que tenha como única etapa a transferência de calor de
um corpo frio para um corpo quente.”
Enunciado do Refrigerador (Clausius) 
Pode-se enunciar a 2a Lei da Termodinâmica de diversas maneiras úteis, todas equivalentes. O que é comum aos enunciados é
o conceito de orientação dos processos termodinâmicos, a irreversibilidade real e global de todos os processos. Há
reversibilidade somente em casos ideais, locais e circunstanciais.
A irreversibilidade termodinâmica é o tema da 2a Lei. Não é possível projetar uma máquina que possa retirar energia térmica de
reservatórios abundantes, como os oceanos, e convertê-la completamente em trabalho mecânico, assim como não é possível
projetar um refrigerador que unicamente transmitisse calor de um reservatório frio a outro quente, sem a necessidade de
trabalho externo.
Todas as impossibilidades levantadas nesta seção são reais, e não violariam a 1a Lei da Termodinâmica.
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 Entropia 
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Entropia
A 2 Lei da Termodinâmica também nos traz, junto à irreversibilidade, a compreensão do conceito de desordem dos
sistemas termodinâmicos que sofrem processos termodinâmicos.
Entropia é a grandeza de estado que quanti�ca o grau de desordem de um sistema físico.
Quando um gás se expande livremente, suas moléculas adquirem maior agitação vibracional por efeito térmico da
expansão, assim sua desordem aumenta.
Se arrumarmos nosso quarto de dormir, com o passar do tempo, naturalmente tenderá à desordem, aumentando sua
entropia.
Não é possível diminuir a entropia nos processos termodinâmicos dos sistemas físicos globais. Todos os
processos irreversíveis envolvem aumento de entropia. Não é possível conservar a entropia, diferentemente da
energia. Sistemas isolados podem variar a entropia, mas não diminuir.
A evolução dos sistemas físicos se dá necessariamente com aumento da entropia e, consequentemente, do grau de
desordem destes sistemas. É a única grandeza física quanti�cável que nos dá uma ordem dos processos, um sentido
de tempo dos processos.
Todos os sistemas tendem à desordem e ao aumento da entropia. No caso teórico especial e ideal de processos
cíclicos locais reversíveis, a sua entropia será nula. Todos os demais processos reais levam ao aumento de entropia.
Temos, assim, um novo enunciado para a 2a Lei da Termodinâmica:
“Não existe nenhum processo com diminuição de entropia quando todas as possíveis variações de entropia são
incluídas”.
a
 Atividade
1. Qual a diferença entre os diferentes enunciados da 2a Lei da Termodinâmica?
2. O que são grandezas termodinâmicas de estado?
3. O que é temperatura?
4. O que é calor?
5. Qual o signi�cado da 1a Lei da Termodinâmica?
Referências
HALLIDAY, D.; RESNICK, R. Fundamentos da Física. Volumes 1, 2, 3 e 4 Rio de Janeiro: LTC, 2012.
MACEDO, Horácio. Dicionário de Física Ilustrado. Rio de Janeiro: Editora Nova Fronteira, 1976.
NUSSENZVEIG, H. Moysés. Curso de Física Básica. Volumes 1, 2, 3 e 4. São Paulo: Ed. Edgar Blücher, 1998.
PIACENTINI, Joao J.; GRANDI, Bartira C.S.; HOFMANN, Márcia P.; de LIMA, Flavio R.R.; ZIMMERMANN, Erika. Introdução ao
laboratório de Física. Florianópolis: Ed. UFSC, 2012.
SEARS; ZEMANSKY; YOUNG, H.; FREEDMAN, R .A. Física I, II, III e IV. 12. ed. São Paulo: Pearson, 2009.
Próxima aula
Os princípios da mecânica dos �uidos;
A pressão, a densidade volumétrica, a conceituação dos fenômenos �uídicos;
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