Atualizando a descrição do blog: Tive a intenção de criar este blog para divulgar conceitos, fatos históricos, curiosidades e outros temas sobre a grande ciência física. Existem muitos outros blogs sobre o assunto, mas a minha intenção principal é tentar escrever sobre assuntos de física vistos na graduação ou de pesquisa física para o público geral. Minhas ideias sobre temas para as colunas surgem de textos e artigos que vou lendo ao longo do meu trabalho acadêmico. Discussões são sempre bem vindas!
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terça-feira, 8 de setembro de 2015

Leis da Termodinâmica - I

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 ,
onde W é o trabalho realizado pelo sistema e Q é o calor absorvido pelo mesmo.



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.