Típico sistema termodinâmico,
mostrando entrada de uma fonte
de calor na esquerda e saída para um (condensador) na direita.
O trabalho é extraído, neste caso, por uma série de pistões. |
A
Termodinâmica (do grego therme = calor e dynamis =
movimento) é o ramo da Física que estuda os efeitos da
mudança de temperatura, volume e pressão, empregados em sistemas
físicos em escala macroscópica. De uma forma mais simples, a
termodinâmica procura explicar os mecanismos de transferência de
energia térmica a fim de que estes realizem algum tipo de
trabalho. Ela
não trabalha com modelos da
microestrutura da substância e tampouco é capaz de fornecer
detalhes desse tipo de estrutura, mas uma vez que alguns dados
sejam conhecidos, algumas propriedades podem ser determinadas. |
Para
entendermos melhor a respeito da termodinâmica se faz necessário
definirmos alguns conceitos importantes:
O
primeiro a ser definido será o sistema termodinâmico. Esse
sistema é um espaço ou região definido por limites reais ou imaginários,
que selecionamos com o objetivo de delimitar o estudo da energia e suas
transformações. O sistema selecionado poderá ser grande ou pequeno, como
por exemplo um sistema de refrigeração de um refrigerador ou
condicionador de ar, ou simplesmente o gás que ocupa o espaço do
cilindro num compressor. Outra característica do sistema é a que o
define como fechado ou aberto. Um sistema fechado é aquele em que
somente a energia transpõe os limites do sistema, enquanto no aberto,
tanto a energia quanto uma certa quantidade de matéria transpões os
limites.
O
segundo conceito é o de estado de um sistema. Este será descrito
pelo conjunto de propriedades físicas do sistema, como a temperatura,
pressão, volume, massa, entropia, etc. O estado é uma condição
momentânea do sistema, onde somente pode ser descrito enquanto as
propriedades deste sejam imutáveis naquele momento, enquanto há o
equilíbrio.
O
terceiro é o processo. Um processo é o caminho que um sistema usa
para percorrer sucessivos estados termodinâmicos. Dentre diferentes
processos temos o
de quase-equilíbrio: aquele em que o
desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal e todos os estados
pelo qual o sistema passa pode ser considerado como estados de
equilíbrio. Muitos processos reais podem ser aproximados com precisão
pelo processo de quase-equilíbrio.
Aqui
todos os sistemas estudados serão fechados, homogêneos e com limites
reais.
Como nasce a Termodinâmica
A
breve
história da termodinâmica começa com Otto von Guericke que em 1650
projetou e construiu a primeira bomba de vácuo do mundo, e o primeiro
vácuo artificial do mundo, através das esferas de Magdeburg. Ele foi
incentivado pela busca em provar a invalidade da antiga percepção de que
"a natureza tem horror ao vácuo" e de que não poderia haver vazio ou
vácuo, já que "no vácuo todos os corpos cairiam com a mesma velocidade"
tal como descreveu em ambos os casos Aristóteles.
Logo
após este evento, o físico e químico Irlandês Robert
Boyle tomou ciência dos experimentos de Guericke, e em
1656, em coordenação com o cientista Inglês Robert Hooke,
construiu uma bomba de ar. Usando esta bomba, Boyle e
Hooke perceberam uma correlação entre pressão,
temperatura e volume. Em tempo, a Lei de Boyle foi
formulada, que estabelece que a pressão e o volume são
inversamente proporcionais. Então, em 1679, baseado
nestes conceitos, um conhecido de Boyle chamado Denis Papin construiu um forno de pressão (marmita de Papin),
que era um vaso fechado com uma tampa fechada
hermeticamente que confinava o vapor até alta pressão
ser gerada.
Projetos
posteriores incluíram uma válvula de alívio para o
vapor, evitando que o recipiente explodisse
devido
à alta
pressão. Observando o movimento rítmico da válvula de
alívio para cima e para baixo, Papin concebeu a idéia
de
uma máquina constituída de um pistão e um cilindro. Mas Papin não seguiu adiante com a idéia. Foi somente em
1697, baseado nas idéias de Papin, que o engenheiro
Thomas Savery construiu a primeira máquina a vapor.
Embora nesta época as máquinas fossem brutas e
ineficientes, elas atraíram a atenção dos principais
cientistas da época. Um destes cientistas foi Sadi
Carnot, considerado hoje o "pai da termodinâmica", que em 1824 publicou
"Reflexões sobre a Potência Motriz do Fogo", um discurso
sobre o calor, potência e eficiência de
máquinas térmicas. O texto
trouxe as relações energéticas
básicas entre a Máquina de Carnot, o
Ciclo
de Carnot e a Potência Motriz. Isto marcou o início
da Termodinâmica como ciência moderna.
A
termodinâmica pode ser melhor representada pelas
transformações
termodinâmicas ou ainda pelas Leis da Termodinâmica:
Um
dos principais objetos de estudo da termodinâmica que estaremos
abordando aqui é os gases ideais. Confira
suas características e propriedades! |