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LEIS DA TERMODINÂMICA

 

Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Triple_expansion_engine_animation.gif, Acesso em 23 fev 2009.
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 Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Carnot2.jpg, Acesso: 23 fev 2009.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!

 

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Referências
  • GASPAR, A. Física. São Paulo, v.2, Ática, 2002.
  • MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B. Física de olho no mundo do trabalho. São Paulo, Scipione, 2003.
  • WIKIPEDIA. Termodinâmica. Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Termodinâmica>. Acesso: 23 fev 2009.
  • SEARS, F. W.; ZEMANSKY, M. W. Física: calor, ondas e óptica. Rio de Janeiro, Universidade de Brasília, 1973.

APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA DE TERMODINÂMICA
NO ENSINO MÉDIO ATRAVÉS DO ESTUDO
DE MÁQUINAS TÉRMICAS COMO TEMA MOTIVADOR

Desenvolvido por Daniel Schulz - UFRGS - 2009