Os princípios da termodinâmica focam no estudo das relações existentes entre o calor trocado e o trabalho realizado em um processo físico em que há o envolvimento de uma massa gasosa e um meio externo (o meio ambiente). Continue lendo para conhecer com mais detalhes esses princípios e sua aplicação na vida real.
Primeiro Princípio da Termodinâmica (ou Primeira Lei da Termodinâmica)
A primeira lei ou primeiro princípio da termodinâmica é uma consequência do Princípio da Conservação da Energia, que diz que a energia total de um sistema sempre será constante, uma vez que essa energia não se perde, é transformada.
A termodinâmica utiliza noções mais específicas para tratar dessa conservação de energia. Basicamente, na primeira lei da termodinâmica são utilizados os conceitos de energia interna, calor e trabalho. Esses conceitos se mostram bastante pertinentes em relação ao universo das máquinas térmicas (as aplicações tecnológicas de essencial relevância dentro da termodinâmica).
Logo, todo e qualquer sistema termodinâmico é caracterizado por contar com a função da energia interna. Esse princípio diz que é possível determinar a variação de energia interna entre dois sistemas por meio da diferença entre a quantidade de calor e o trabalho trocado com o meio ambiente. Tal lei é escrita matematicamente da seguinte maneira:
ΔU = Q – T
Nessa fórmula:
Q refere-se à quantidade de calor cedida ou recebida;
T diz respeito ao trabalho realizado pelo sistema ou que é realizado sobre o mesmo;
ΔU consiste na variação de energia interna do sistema.
Funcionamento de máquinas a vapor
As máquinas a vapor são ótimos exemplos para compreender o primeiro princípio da termodinâmica porque funcionam de acordo com ele. Para que fique mais claro, te convidamos a imaginar uma máquina movida a vapor. O vapor d’água é o fluido de trabalho dessa máquina, quando ele recebe calor de uma fonte externa pode fazer duas conversões de energia.
O vapor pode ter a sua temperatura aumentada em alguns graus ou, então, pode se expandir e movimentar os pistões da máquina, levando à realização de determinada quantidade de trabalho. Logo, chegamos ao conceito de que a variação da energia interna de um sistema termodinâmico é correspondente à diferença entre a quantidade de calor que ele absorve e a quantidade de trabalho que o sistema realiza.
Aplicação prática do Primeiro Princípio da Termodinâmica
A aplicação prática desse princípio se dá em três transformações peculiares de um gás perfeito. Entende-se como gás perfeito (ou ideal) aquele que segue o comportamento idealizado para um gás de acordo com as leis de Gay Lussac, lei de Boyle Mariotte e a lei de Charles. Confira, a seguir, quais são essas três transformações.
Transformação Isotérmica
Transformação que se dá quando há temperatura constante, de maneira que a variação de energia interna do gás é igual a zero. A energia interna inicial é igual à energia interna final, logo: ΔU = 0. Isso significa que a quantidade de calor do sistema é equivalente ao trabalho realizado pelo mesmo, logo, se tem Q = T.
Transformação Isovolumétrica
Transformação de um gás perfeito que se dá a um volume constante. O volume do gás continua o mesmo ao longo do processo termodinâmico todo. Uma vez que o volume é constante, concluímos que o trabalho é igual a zero. A equação que descreve a primeira lei da termodinâmica é a seguinte:
ΔU = Q
Transformação Adiabática
Transformação em que o gás não realiza troca de calor com o meio externo, algo que acontece pelo isolamento térmico do gás ou pelo fato de que o processo se dá rápido o bastante para que o calor trocado seja considerado desprezível, isto é, Q = 0.
Em uma expansão adiabática, a pressão diminui, a temperatura é reduzida e o volume do gás aumenta. Por sua vez, em uma compreensão adiabática o volume é reduzido, enquanto a temperatura e pressão aumentam. Podemos observar tal transformação em sprays de desodorante de maneira geral.
Segundo Princípio da Termodinâmica (ou Segunda Lei da Termodinâmica)
O segundo princípio da termodinâmica foi enunciado pelo físico francês Sadi Carnot. Essa lei determina restrições para a conversão de calor em trabalho, considerando as máquinas térmicas.
Carnot estabeleceu que a ocorrência de conversão contínua de calor em trabalho por uma máquina térmica depende da realização de ciclos contínuos entre uma fonte quente e uma fonte fria. As duas fontes se mantêm em temperaturas constantes.
Cada ciclo retira uma quantidade de calor da fonte quente, sendo que parte desse calor vai para a fonte fria e a outra parte é convertida em trabalho. Podemos observar esse princípio em máquinas do nosso dia a dia, como o motor de um veículo automotivo ou o motor de uma geladeira. Essas são máquinas térmicas porque realizam seu processo de conversão de calor em trabalho com base na operação em ciclos, o mesmo que Carnot descreveu.
Esses são os princípios da termodinâmica! Para conferir mais conteúdos de física e outras disciplinas, navegue pelo blog do Hexag!