As 4 leis da termodinâmica (características e explicação) - Médico - 2023

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Os princípios da termodinâmica governam o Universo. Qualquer corpo ou objeto imaginável é regulado e limitado pelas leis universais da termodinâmica, ramo da Física que descreve o comportamento da energia, da temperatura e do movimento, três grandezas que, segundo esses princípios, estão intimamente relacionadas.

Como já dissemos, essas leis explicam o comportamento de grande parte dos processos que ocorrem no Cosmos, nos quais há uma troca de matéria e energia entre diferentes corpos. E não estamos falando de estrelas ou buracos negros (o que também), mas somos governados por esses princípios.

Os seres humanos obtêm energia comendo alimentos e, em seguida, usam essa energia para, por exemplo, andar. Todos os processos da natureza em que há uma troca de energia pode ser explicada por uma das quatro leis da termodinâmica.

Portanto, e para entender exatamente o que é a termodinâmica e qual a sua importância na compreensão das leis físicas do Universo, apresentaremos esses quatro princípios de forma sintetizada e clara.

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O que é termodinâmica?

O conceito de "termodinâmica" vem do grego "thermos" (calor) e "dínamos" (força). Essa origem lexical já nos dá uma pista de qual é o objeto de estudo desta disciplina. Na verdade, a termodinâmica é um ramo da física que estuda todos aqueles fenômenos que ocorrem em corpos afetados por trocas de temperatura e fluxo de energia, que determina diretamente seu movimento.

Em outras palavras, a termodinâmica é a disciplina física que estuda as propriedades macroscópicas (visíveis ao olho humano, mesmo indiretamente) da matéria afetada por fenômenos relacionados ao calor. E é que a temperatura determina a circulação da energia e isso induz movimento.

Esta ciência, além de, como veremos, responder a quanto dos processos do Universo acontecem, tem infinitas aplicações em nossa vida. E é sabendo como ocorrem as transformações de energia, podemos obter muitos benefícios.

Ou seja, a partir da energia térmica (estudada pela termodinâmica), que pode vir, por exemplo, do Sol, podemos converter essa energia em energia mecânica capaz de mover (daí "movimento") máquinas. E essa energia mecânica, por sua vez, pode ser convertida em energia elétrica, capaz de atender às nossas necessidades. Como podemos ver, os diferentes tipos de energia estão intimamente relacionados.

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Se eles não estivessem tão intimamente ligados e as transformações não fossem possíveis, não seria possível que os fenômenos que governam a natureza do Universo ocorressem. Da formação de estrelas ao desenvolvimento da vida, pela circulação do ar na atmosfera, reações químicas, aumento e diminuição da temperatura, água fervente ...

E são precisamente essas quatro leis da termodinâmica que, matematicamente, explicam como temperatura, energia e movimento não estão apenas ligados entre si, mas a outros tipos de energia.

Quais são os princípios da termodinâmica?

A termodinâmica é uma disciplina física que teve suas origens em meados do século XVII, quando se descobriu que havia uma correlação entre a pressão a que um gás era submetido e sua temperatura. No entanto, os princípios ou leis desta ciência não chegariam até muito tempo depois.

Cada lei foi formulada em momentos diferentes. O primeiro a ser feito (que foi o segundo) foi idealizado em 1824, embora fosse reformulado novamente 40 anos depois. Durante anos as leis da termodinâmica dos sistemas materiais (líquidos, sólidos, gases ...) continuaram a ser estudadas, alcançando, em 1930, a formulação da última lei, conhecida como “lei zero”.

Compreendendo o contexto e o que é, em termos gerais, termodinâmica, podemos prosseguir para ver suas leis. Lembremos que qualquer processo no Universo em que haja uma troca de temperatura entre os corpos e um fluxo de energia, é regido por qualquer um dos seguintes princípios.

Lei "Zero": Princípio do equilíbrio térmico

"Se um sistema A e um sistema B estão na mesma temperatura e B está na mesma temperatura que C, então A e C estão na mesma temperatura."

Essa afirmação, que à primeira vista pode parecer excessivamente lógica, contém um princípio muito importante para entender como a temperatura flui entre os corpos. E é aí que entra em jogo o chamado equilíbrio térmico.

Este conceito se refere a como dois corpos com temperaturas diferentes em contato (A e C) ou separados por uma superfície condutora (B), transferem calor de um para o outro. até que as temperaturas, que inicialmente eram diferentes, se tornem iguais.

Ou seja, se colocarmos dois corpos em contato e um estiver mais quente que o outro, a transferência de calor provocará o equilíbrio térmico, estado em que a temperatura de ambos os objetos é igual e, desde que o sistema não entre em um terceiro corpo com calor diferente, a temperatura permanecerá constante.

Muitos processos do nosso dia a dia são regidos por este princípio. Por exemplo, os freezers baseiam sua operação nesta lei. Colocamos os alimentos (à temperatura ambiente) no congelador, que é muito frio. Este freezer é um sistema no qual alimentos e ar congelado trocam calor até que se tornem iguais. Quando o equilíbrio térmico é alcançado, o alimento fica na mesma temperatura do ar.

Ao ferver água, esta lei é cumprida, pois a temperatura da água sobe para igualar a do fogão.

Primeira Lei: Princípio de Conservação de Energia

“A energia não é criada nem destruída. Só pode ser transformado ou transferido de um objeto para outro ”.

Esta declaração bem conhecida é a primeira lei da termodinâmica, que afirma que a quantidade total de energia no Universo não mudou desde sua origem. A única coisa que a energia pode fazer é transformar (por exemplo, passar da energia química para a mecânica) ou transferir-se de um corpo para outro, como vimos com a temperatura na lei zero.

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Todos os processos físicos do Universo estão incorporados nesta lei. Desde as luzes em nossa casa transformando energia elétrica em energia luminosa até as plantas convertendo energia luminosa em energia química, passando por nossas células, que convertem energia química em energia mecânica.

No entanto, este princípio também defende que nenhum processo de transformação de energia é 100% eficiente. Ou seja, em nenhum sistema do cosmos se consegue que uma energia do tipo A se transforme completamente em energia do tipo B. Sempre há uma parte da energia que se "perde". E dizemos isso entre aspas porque não está realmente perdido, é simplesmente lançado.

Y é liberado como calor. Todas as reações de transformação de energia geram calor como um "efeito colateral", portanto, esse princípio faz parte da termodinâmica. Ou seja, se as luzes da nossa casa fossem 100% eficazes (é fisicamente impossível para elas serem), toda a energia elétrica seria transformada em luz. Mas sempre há perdas na forma de calor.

E isso acontece com todos os processos imagináveis. A energia térmica é sempre a fração de energia gerada porque as transformações não são totalmente eficazes. Mas é precisamente esse calor que permite que a lei da conservação da energia seja cumprida.

Segunda Lei: Princípio da Entropia

"A quantidade de entropia no Universo tende a aumentar com o tempo."

Entropia é uma quantidade física que mede o grau de desordem de um sistema. Bem, esta lei da termodinâmica afirma que, com o passar do tempo, a entropia tende inevitavelmente a aumentar, ou seja, que o grau de desordem no Universo aumenta.

Antes de mergulharmos em conceitos mais físicos, vamos entender o que isso significa. Este princípio nos diz que absolutamente tudo no Universo tende a se desordenar com o passar do tempo. Pense em seu quarto. Com o passar dos dias, se você continuar com o seu dia a dia normal, o que tende a fazer? Pedir? Ou ficar desorientado? Claramente confuso. E não porque você não seja uma pessoa limpa. Quando dito o contrário, você pode dizer que é simplesmente uma vítima da segunda lei da termodinâmica.

Uma descrição visual do conceito de entropia.

Tendo feito uma metáfora para o que significa esse aumento na entropia, vamos levá-lo ao terreno mais físico. Por que essa tendência à desordem? Para responder a isso, devemos voltar à segunda lei, que nos dizia que em todas as reações de transformação de energia, uma parte se perdia na forma de calor.

Ou seja, em cada uma das reações que houve no Universo desde o Big Bang até hoje (desde estrelas explodindo até você caminhando na praia), uma parte da energia não foi destinada ao trabalho em questão, mas que se perdeu na forma de energia térmica.

Mas e quanto a essa energia? Não pode simplesmente "flutuar". Não. O que ele faz é, pelo que a lei zero nos disse, transferência entre corpos. Isso quer dizer que as temperaturas, lembre-se, tendem a se igualar. Também vamos lembrar que, quanto mais alta a temperatura, maior o movimento das moléculas na matéria, seja sólida, líquida ou gasosa.

Portanto, quando um corpo perde calor ao transformar energia, ele precisa se igualar aos corpos ao seu redor. E à medida que as temperaturas se igualam, inevitavelmente, tende a haver desordem, já que fazemos corpos frios (com mais ordem já que as moléculas se movem lentamente) começam a aumentar sua entropia, pois sua temperatura aumenta e, com ela, o movimento das partículas . Quanto mais movimento, mais desordem.

E esse distúrbio é irreversível por estatísticas simples. Existem muitas, muitas configurações que consideramos "confusas", mas muito poucas que consideramos "ordenadas". Se você queimar um pedaço de madeira, a tendência das cinzas não será de se reunir, certo? É estatisticamente impossível que isso ocorra.

Terceira Lei: Princípio de Nernst

"Ao atingir a temperatura zero absoluta, qualquer processo físico é interrompido."

Esta terceira lei, que coleta as informações de todas as anteriores, parte do pressuposto de que para que haja qualquer reação de transformação de energia (o que o enunciado expressa como um processo físico) é necessário que haja movimento das partículas.

Portanto, se atingirmos o zero absoluto de temperatura (0 K ou -273,15 ° C), nenhuma reação energética pode ocorrer. E é que nessa temperatura, que é a mais baixa possível, as moléculas que compõem a matéria estão tão incrivelmente próximas (fisicamente elas não podem mais estar) que nenhum processo físico pode ocorrer. Porque todos eles dependem da temperatura, e se chegar a zero absoluto, as reações cancelam.

Da mesma forma, o princípio diz que, nessa temperatura, a entropia atinge o valor mínimo constante. Um grau superior de ordem é impossível. As moléculas estão totalmente juntas e não se movem.

De qualquer forma, acredita-se que é impossível chegar ao zero absoluto. De fato, o lugar mais frio do universo é a nebulosa Boomerang, localizado a 5.000 anos-luz de nós, onde as temperaturas foram encontradas em -272 ° C, mas ainda não é zero absoluto.

A Nebulosa do Bumerangue, o lugar no Universo mais próximo do zero absoluto.