Explicamos o que são as leis da termodinâmica, qual a origem desses princípios e as principais características de cada um.
Quais são as leis da termodinâmica?
As leis da termodinâmica (ou os princípios da termodinâmica) descrevem o comportamento de três grandezas físicas fundamentais, temperatura , energia e entropia , que caracterizam os sistemas termodinâmicos. O termo “termodinâmica” vem do termo grego , que significa ” calor ” , e dínamos , que significa ” força “.
Matematicamente, esses princípios são descritos por meio de um conjunto de equações que explicam o comportamento dos sistemas termodinâmicos , definidos como qualquer objeto de estudo (desde uma molécula ou um ser humano , até a atmosfera ou água fervente em uma panela).
Existem quatro leis da termodinâmica e são cruciais para a compreensão das leis físicas do universo e da impossibilidade de certos fenômenos, como o movimento perpétuo.
Veja também: Princípio de conservação de energia
Origem das leis da termodinâmica
Os quatro princípios da termodinâmica têm origens diferentes e alguns foram formulados a partir dos anteriores . O primeiro a ser estabelecido, de fato, foi o segundo, obra do físico e engenheiro francês Nicolás Léonard Sadi Carnot em 1824.
No entanto, em 1860, esse princípio foi formulado novamente por Rudolf Clausius e William Thompson, acrescentando então o que hoje chamamos de Primeira Lei da Termodinâmica. Posteriormente surgiu o terceiro, também conhecido como “postulado de Nerst” porque surgiu graças aos estudos de Walther Nernst entre 1906 e 1912.
Finalmente, a chamada “lei zero” surgiu em 1930 , proposta por Guggenheim e Fowler. É preciso dizer que nem em todas as áreas ela é reconhecida como uma lei verdadeira.
Primeira Lei da Termodinâmica
A primeira lei é chamada de “Lei da Conservação de Energia” porque determina que em qualquer sistema físico isolado de seu ambiente, a quantidade total de energia será sempre a mesma , embora possa ser transformada de uma forma de energia para outra. uns. Ou em outras palavras: a energia não pode ser criada ou destruída, apenas transformada.
Assim, ao fornecer uma determinada quantidade de calor (Q) a um sistema físico, sua quantidade total de energia pode ser calculada como o calor fornecido menos o trabalho (W) realizado pelo sistema em seus arredores. Expresso numa fórmula: Q Au = – W .
Como exemplo dessa lei, vamos imaginar o motor de um avião . É um sistema termodinâmico que consiste em um combustível que reage quimicamente durante o processo de combustão , libera calor e realiza trabalhos (que fazem o avião se mover). Portanto: se pudéssemos medir a quantidade de trabalho realizado e o calor liberado, poderíamos calcular a energia total do sistema e concluir que a energia do motor permaneceu constante durante o vôo: a energia não foi criada nem destruída, mas sim alterada energia química para aquecer a energia e a energia cinética (movimento, ou seja, trabalho).
Segunda lei da termodinâmica
A segunda lei, também chamada de “Lei da Entropia”, pode ser resumida em que a quantidade de entropia no universo tende a aumentar com o tempo . Isso significa que o grau de desordem dos sistemas aumenta até atingir um ponto de equilíbrio, que é o estado de maior desordem do sistema.
Esta lei introduz um conceito fundamental em física: o conceito de entropia (representado pela letra S), que no caso dos sistemas físicos representa o grau de desordem. Acontece que em todo processo físico em que ocorre uma transformação de energia, certa quantidade de energia não é utilizável, ou seja, não pode funcionar. Se você não consegue trabalhar, na maioria dos casos essa energia é calor. Esse calor que o sistema libera, o que isso faz é aumentar a desordem do sistema, sua entropia. Entropia é uma medida da desordem de um sistema.
A formulação desta lei estabelece que a variação da entropia (dS) será sempre igual ou maior que a transferência de calor (dQ) , dividida pela temperatura (T) do sistema. Ou seja, que: dS ≥ dQ / T.
Para entender isso com um exemplo, basta queimar uma certa quantidade de matéria e coletar as cinzas resultantes. Quando os pesamos, verificaremos que é menos matéria do que o que estava em seu estado inicial: parte da matéria foi convertida em calor na forma de gases que não podem fazer trabalho no sistema e que contribuem para sua desordem.
Terceira lei da termodinâmica
A terceira lei afirma que a entropia de um sistema que é levado ao zero absoluto será uma constante definida . Em outras palavras:
- Ao atingir o zero absoluto (zero em unidades Kelvin), os processos dos sistemas físicos param.
- Ao atingir o zero absoluto (zero em unidades Kelvin), a entropia tem um valor mínimo constante.
É difícil chegar ao chamado zero absoluto (-273,15 ° C) no dia a dia , mas podemos pensar nessa lei analisando o que acontece em um freezer: os alimentos que ali depositarmos ficarão tão frios que processos bioquímicos irá desacelerar ou até mesmo parar. É por isso que sua decomposição é retardada e seu consumo será adequado por muito mais tempo.
Lei zero da termodinâmica
A “lei zero” é conhecida por esse nome, embora tenha sido a última a ser executada. Também conhecido como Lei do Equilíbrio Térmico , este princípio dita que: “Se dois sistemas estão em equilíbrio térmico independentemente de um terceiro sistema, eles também devem estar em equilíbrio térmico um com o outro.” Pode ser expresso logicamente da seguinte forma: se A = C e B = C, então A = B.
Essa lei nos permite comparar a energia térmica de três corpos diferentes A, B e C. Se o corpo A está em equilíbrio térmico com o corpo C (eles têm a mesma temperatura) e B também tem a mesma temperatura de C, então A e B têm a mesma temperatura.
Outra forma de afirmar esse princípio é argumentar que, quando dois corpos com temperaturas diferentes entram em contato, eles trocam calor até que suas temperaturas se igualem.
Exemplos cotidianos dessa lei são fáceis de encontrar. Quando entrarmos na água quente ou fria, notaremos a diferença de temperatura apenas durante os primeiros minutos, pois nosso corpo entrará então em equilíbrio térmico com a água e não notaremos mais a diferença. O mesmo acontece quando entramos em uma sala quente ou fria: a princípio notaremos a temperatura, mas depois deixaremos de perceber a diferença porque entraremos em equilíbrio térmico com ela.
