Leis da termodinâmica explicadas

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Fala gurunauta, nesse artigo vamos falar sobre as leis da termodinâmica. De fato, esse assunto é um dos tópicos mais relevantes não só da física 2 mas, também, da física como um todo tendo ainda aplicações em diversos ramos da própria física e das ciências aplicadas como biologia e engenharias.

Nesse sentido, não tenha dúvidas de que esse é um assunto quente para seu professor cobrar em suas provas. Portanto, vem comigo que hoje vou te explicar o que são essas leis e suas principais implicações.

O que são as leis da termodinâmica ?

As leis da termodinâmica podem ser vistas, a certo modo, de maneira similar as leis de Newton. De fato, essas leis formam o conjunto básico de ideias que regem sistemas térmicos, isto é, sistemas físicos onde a temperatura dos corpos é levada em conta.

Tendo isso em vista, você deve entender que as leis que apresentaremos aqui regem diversos sistemas e fenômenos físicos. Os quais perpassam tanto regimes clássicos (reservatórios caloríficos) quanto sistemas quânticos (matéria condensada). Além disso, essas leis vão ainda a regimes extremos de gravitação sendo, atualmente, objetos extensivos de estudos na compreensão da termodinâmica de buracos negros.

Então, tendo em mãos o conhecimento geral sobre essas leis, vamos agora, adentrar em cada uma das leis que regem o comportamento termodinâmico da matéria.

A lei zero das leis da termodinâmica

Por algum motivo, essas leis começam a ser contadas a partir de zero. Então, seguindo a ordem de apresentação da termodinâmica, vamos entender a lei zero. Com efeito, a Lei zero estabelece uma relação de transitividade entre as temperaturas de corpos. Decerto, com isso é possível efetivamente ter-se uma forma de medir e comparar a temperatura de corpos conhecendo informações sobre dois corpos previamente selecionados.

Nesse contexto, podemos enunciar essa lei da seguinte forma: Considere três corpos rotulados pelas letras A, B e C. Além disso, a temperatura dos corpos é conhecida e são tais que a temperatura de A é igual a temperatura de B e igual a do corpo C. Consequentemente, segue que a temperatura de B é igual a temperatura do corpo C e podemos dizer que os corpos estão em contato térmico. Conforme esquematizamos na Figura 1 a abaixo.

Esquematização das leis da termodinâmica: lei zero da termodinâmica.
Figura 1. Esquematização da Lei zero da termodinâmica.

Nesse sentido, temos, então, que a lei zero garante que a relação entre as temperaturas de corpos é transitiva. Além de que, essa é a lei que fundamenta a noção de equilíbrio térmico, pois dada a transitividade mostrada na Figura 1 podemos dizer que os corpos estão me equilíbrio térmico. Pois, podemos ainda esquematizar a lei zero da seguinte forma:

Figura 2. Esquematização da lei zero da termodinâmica: equilíbrio térmico transitivo.

No caso da Figura 2, a relação de temperaturas e o resultado seguem igualmente da Figura 1. Logo, nós teremos que mesmo separados por uma parede adiabática os corpos B e C terão a mesma temperatura. Esse resultado é extraordinário e decorre da experimentação termodinâmica.

1º Lei da termodinâmica

Agora, vamos nos ater a primeira lei da termodinâmica. A primeira lei, pode ser vista como um análogo da conservação da energia na mecânica newtoniana. Todavia, aqui leva-se em conta dois ingredientes fundamentais:

  • O calor, que denotaremos pela letra Q e vamos convencionar Q como a medida de calor fornecido a um sistema
  • O trabalho, que denotaremos pela letra W e vamos convencionar W como a medida de trabalho realizado por um sistema.

a partir disso, a primeira lei da termodinâmica estabelece a existência de uma função de estado U. De fato, aqui teremos que essa função U carrega a informação física do sistema que pode ser dada através de algumas variáveis sendo essas:

  • O par pressão e temperatura,
  • O par pressão e volume,
  • O par volume e temperatura.

Com isso em mãos, é possível ter-se que os principais observáveis termodinâmicos podem ficar postos dentro da função de estado U. Além disso, a primeira lei estabelece que essa função pode ser posta da seguinte forma:

Expressão 1. Formulação matemática da primeira lei da termodinâmica.

onde temos uma fórmula para variáveis gerais e outra em forma diferencial. Com isso, essa lei consegue capturar o entendimento de como o calor e o trabalho de um sistema termodinâmico é variado frente ao conhecimento da energia interna U total do sistema físico. Assim, a primeira lei consagra-se por permitir o elegante enunciado de que: “A energia no universo é constante”.

2º Lei da termodinâmica

Por fim e não menos importante, temos a segunda lei da termodinâmica. Com efeito, essa lei estabelece a existência de uma função de estado chamada entropia S que pode depender dos parâmetros termodinâmicos:

  • Da tupla pressão e volume,
  • Da tupla Energia e

Além disso, essa mesma lei é associada também a eficiência de máquinas térmicas. Em particular, ela pode ser enunciada da seguinte forma.

É impossível construir uma máquina que, operando em ciclos termodinâmicos, tenha como único efeito converter integralmente em trabalho todo o calor recebido.

Consequentemente, ela implica na inexistência de uma eficiência de 100% para máquinas térmicas, em verdade, é possível ter-se um máximo rendimento o qual é obtido através do ciclo de Carnot.

De fato, essa impossibilidade de ter-se uma eficiência perfeita decorre, diretamente, da função de estado entropia S definida por essa lei. Uma vez que, essa função é axiomatizada de forma que seja sempre crescente, logo e entropia de todo sistema físico tende, sempre, a crescer. Assim, impedindo essas eficiências perfeitas.

E com isso, chegamos ao fim de mais um artigo gurunauta. E sempre se lembre de contar com a MeuGuru para te ajudar

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