As Três Leis da Termodinâmica

A têndencia natural é que o calor passe de um corpo mais quente para um corpo mais frio. No entando, em uma geladeira ocorre o inverso: o calor vai de uma fria ( interior) para uma região quente (esterior). Como se consegue isso?

É isso que vamos tentar explicar nessa postagem as Três leis da termodinâmica e suas aplicações em alguns experimentos:

1° Lei da Termodinâmica:

A primeira lei da termodinâmica é a lei da conservação da energia. Nela observamos a equilavência entre trabalho e calor. Esta lei enuncia que a energia total transferida para um sistema é igual à variação da sua energia interna.

 

A expressão matemática que traduz esta lei para um sistema não-isolado é:

onde Q representa troca de calor, W a realização de trabalho (sendo respectivamente positivos quando o sistema recebe calor ou nele é realizado trabalho, negativos do contrário) e R a emissão ou absorção de radiação. Podemos simplificar dizendo que existe uma função U (energia interna) cuja variação durante uma transformação depende unicamente de dois estados, o inicial e o final. Num sistema fechado a indicação desta variação é dada como:

Onde Q e W são, respectivamente, o calor e o trabalho trocados entre o sistema e o meio. As quantidades W e Q são expressas algebricamente, sendo positivas quando expressam energia recebida pelo sistema. A quantidade R é nula pois, em sistema fechado, não se verificam absorções nem emissões de radiação.

A energia interna é definida como a soma das energias cinéticas e de interacção de seus constituintes. Este princípio enuncia, então, a conservação de energia.

2° Lei da Termodinâmica:

O estudo das máquinas térmicas chamou a atenção dos físicos par uma série de transformações que nunca ocorrem, embora não violem a Lei da Conservação da Energia.

Uma dessas transformações “proibidas” é a passagem espontânea de calor de um corpo frio para um corpo quente. O que observamos é sempre o inverso: a passagem de calor se dá, espontaneamente do corpo quente para o corpo frio. Alguém poderia argumentar que em um refrigerador ocorre passagem de calor da região “fria” (interior do refrigerador) para uma região “quente” (meio exterior). Porém essa passagem não é espontânea; para que ela ocorra é necessário que um motor realize esse trabalho.

Outra “proibição” observada foi a conversão integral de calor em trabalho (ou de calor em energia mecânica). Ao se construírem as máquinas, percebeu-se que é sempre necessário haver duas fontes a temperaturas diferentes, de modo que uma parte do calor retirado da fonte quente é enviado para a fonte fria. Não se consegue transformar em trabalho todo calor retirado da fonte quente. O inverso é possível, isto é, a transformação integral de trabalho em calor. Porém, a transformação integral de calor em trabalho não acontece.

Essas “proibições” foram transformadas em lei: A Segunda Lei da Termodinâmica. Essa Lei deve ter várias formulações, em que os físicos mostraram ser equivalentes.

 O calor flui espontaneamente de um corpo quente para um corpo frio. O inverso só ocorre com a realização de trabalho.

È impossível, para uma máquina térmica que opera em ciclos, converter integralmente calor em trabalho.

• corpo quente, com temperatura T_A.

• corpo frio, com temperatura TB < TA.

Se os dois corpos são colocados em contato entre si num sistema isolado como em (b) da figura, a experiência mostra que o calor passa do corpo quente para o corpo frio até que as temperaturas de ambos se estabilizem num valor de equilíbrio T_E, como em (c) da figura. 

 Uma máquina térmica ideal (M) funcionaria como em (a) da Figura 02. Todo o calor Q₁ de uma fonte quente (exemplo: a combustão de uma substância) seria transformado em trabalho W. Assim, W = Q₁ e haveria eficiência η = 1 ou 100 %. Mas é claro que isso nunca ocorre.

Uma máquina real opera como em (b) da mesma figura. Há sempre uma parcela de calor Q₂ que é trocada com uma fonte fria (o próprio ambiente na maioria dos casos). 

 3° Lei da Termodinâmica:

Podemos dizer que existe uma função “U” (energia interna) cuja variação durante uma transformação depende unicamente de dois estados, o inicial, e o final. Num sistema fechado a indicação desta variação é dada como : ΔU = Q - T onde Q é a quantidade de calor recebido pelo sistema e W o trabalho realizado. As quantidades W e Q são expressas algebricamente. A energia interna é definida como a soma das energias cinéticas e de interação de seus constituintes. Este princípio enuncia, então, a conservação de energia, conhecido no entanto como Primeira Lei da Termodinâmica.

O conceito de temperatura entra na termodinâmica como uma quantidade matemática precisa que relaciona calor e entropia. A interação entre essas três quantidades é descrita pela terceira lei da termodinâmica, segundo a qual é impossível reduzir qualquer sistema à temperatura do zero absoluto mediante um número finito de operações. De acordo com esse princípio, também conhecido como teorema de Nernst, a entropia de todos os corpos tende a zero quando a temperatura tende ao zero absoluto.