Que tal falarmos um pouco sobre termodinâmica?
Embora este tema possa não despertar muito interesse do ponto de vista de
ficção científica, é uma área da física muito importante, pois toda a
Termodinâmica Clássica foi fundamentada em experimentos e tentativas de se
conseguir o máximo de energia de uma máquina térmica com o menor gasto de
energia possível. Em outras palavras, sempre se esteve interessado no maior
rendimento de uma máquina térmica.
A termodinâmica clássica foi basicamente
desenvolvida a partir de 1650 com a invenção, nas décadas seguintes, das mais variadas máquinas térmicas,
dentre elas, a locomotiva. Como todas as teorias físicas que tem um forte
embasamento experimental, a termodinâmica clássica possue algumas leis que
formam a base da teoria. São três leis, primeira, segunda e terceira, e mais
uma lei conhecida como lei zero da termodinâmica. Neste texto, falaremos sobre
as duas primeiras leis: Lei
Zero e Primeira Lei.
A lei zero da termodinâmica é muito
importante para entendermos o conceito de temperatura. Sua formulação é a
seguinte:
Se dois sistemas, A e B, estão em
equilíbrio térmico com um terceiro sistema, C, então os sistemas A e B devem
estar em equilíbrio térmico entre si.
Aqui, dizer que dois sistemas estão em
equilíbrio térmico equivale a dizer que eles apresentam a mesma temperatura.
Portanto, se temos um sistema de referência C, podemos saber se os sistemas A e
B estarão em equilíbrio térmico quando colocados em contato, simplesmente colocando eles inicialmente em contato com o sistema C. Poderíamos chamar então C de
nosso termômetro.
Embora pareça simples, esta lei permite
que evitemos de colocar os dois sistemas A e B em contato sem saber se estarão
em equilíbrio térmico entre si. Isso pode ser importante, pois se não quisermos
que o sistema A, por exemplo, perca energia para o sistema B, podemos ter
certeza do equilíbrio térmico entre eles sem colocá-los em contato. O sistema C
pode ser um sistema em que o sistema A perderia muito menos energia para entrar
em equilíbrio térmico do que em contato com B. Isso é vantajoso, pois sempre
queremos evitar perder energia com processos que não são úteis.
Podemos discutir um pouco também a
primeira lei da termodinâmica, que diz basicamente sobre o princípio de
conservação de energia. Suponhamos que temos um sistema físico. Este sistema
possui alguma quantidade de energia que pode estar, por exemplo, na forma de
energia térmica. Se o sistema está isolado de suas vizinhanças, a energia total
será conservada, ou seja, nenhum tipo de energia entra ou sai do sistema. Porém
podemos permitir que o sistema tenha interações com suas vizinhanças (que pode
ser outro sistema) e deste modo uma certa quantidade de energia irá fluir de um
sistema para outro de alguma forma.
Em termodinâmica, sempre se esteve
interessado na quantidade de energia que um sistema físico poderia fornecer. A
esta quantidade, damos o nome de trabalho (W). Por outro lado, se uma certa
quantidade de energia entra no sistema através de um processo térmico (contato
térmico, etc), damos o nome a esta quantidade de calor (Q). Assim, podemos enunciar a
primeira lei como:
Um sistema pode ser caracterizado pela
quantidade E (energia interna), a qual para um sistema isolado, E = constante.
Se o sistema passa a interagir com seu meio externo, então tem-se: delta E = - W + Q ,
Fica claro que quando o sistema realiza trabalho, ele fornece energia ao meio e consequentemente perde energia interna.
Assim, estas duas leis exibem conceitos
muito importantes na física e em especial na termodinâmica. O conceito de
temperatura, que nos permite comparar a energia térmica de dois sistemas físicos,
e o conceito de conservação de energia. Este último é válido para sistemas
isolados ou para sistemas que interagem entre si, desde que consideremos o
conjunto como um todo como um sistema isolado. Extrapolando este pensamento
para todo o universo, é por isso que dizemos que a energia do universo como um
todo é conservada.
Dúvidas ou comentários, por favor,
escreva!!
Referência:
- F. Reif, Fundamentals of Statistical and
Thermal Physics, McGraw-Hill, 1965.