- Anúncio -

 

Termodinâmica é o ramo da física que investiga as leis e processos que regem as relações entre calor, trabalho e outras formas de transformações de energia, mais especificamente as mudanças de energia que a disponibilizem para a realização de trabalho. Por isso, o entendimento da termodinâmica impulsionou e foi impulsionado pela 1ª Revolução Industrial, na qual máquinas utilizavam calor para fornecer trabalho mecânico – as máquinas a vapor – dando origem aos motores e refrigeradores de hoje.

Em mecânica, define-se o trabalho de uma força como sendo:

τ=F⋅d⋅cosθτ=F⋅d⋅cosθ

onde F representa a intensidade da força, d o deslocamento do objeto durante a aplicação dessa força e θ o ângulo entre as direções da força e do deslocamento. De forma mais geral, quando a força aponta a favor do deslocamento, ou seja, “para frente”, o trabalho pode ser calculado por τ=F⋅dτ=F⋅d. Quando a força aponta contra o deslocamento, ou seja, “para trás”, ele é calculado por τ=−F⋅dτ=−F⋅d .

- Anúncio -

Você deve estar se perguntando: “o que um conceito de mecânica que envolve forças e deslocamentos está fazendo em um texto de termodinâmica?” Pare para pensar: quando aquecemos um objeto, ele se dilata, empurrando o meio externo, no caso o ar. Logo, existe a aplicação de uma força e um deslocamento de sua periferia. Assim, existe um trabalho realizado pela superfície do objeto.

Como a dilatação dos objetos no nosso dia-a-dia costuma ser desprezível, não nos atentamos a isso antes. Mas em um sistema em especial, a dilatação não costuma ser tão desprezível: os gases. Pensemos então neste caso.

Termodinâmica é um tema que cai no Enem (Foto: Reprodução)

Suponha um gás encerrado em um recipiente fechado por um êmbolo móvel, que pode deslizar sem resistência com as paredes do recipiente. Suponha também a pressão externa constante sobre o recipiente. Se o embolo se desloca, o volume do gás varia.

Para que o êmbolo suba, por exemplo, as partículas do gás devem exercer uma força F no êmbolo. Pela definição de pressão:

p=FA⇒F=p⋅Ap=FA⇒F=p⋅A

onde A representa a área do êmbolo. A variação de volume do gás pode ser calculada da seguinte forma:

ΔV=Vfinal−Vinicial=A⋅d⇒d=ΔVAΔV=Vfinal−Vinicial=A⋅d⇒d=ΔVA

onde d é o deslocamento do pistão. Desta forma, o trabalho realizado pelo gás, durante a expansão, vale:

Termodinâmica é um tema que cai no Enem (Foto: Reprodução)

ou seja, τ=p⋅ΔVτ=p⋅ΔV

Assim, o trabalho de um gás, sob pressão constante, pode ser calculado pelo produto da pressão pela variação de volume do gás.

– Se o gás se expande, ΔV > 0. Assim, teremos τ > 0 e dizemos que o gás realiza trabalho;
– Se o gás se contrai, ΔV < 0. Assim, teremos τ < 0 e dizemos que o trabalho foi realizado sobre o gás;
– Se o volume do gás não varia (transformação isovolumétrica), ΔV = 0. Assim, teremos τ = 0.

Se a pressão não é constante, o trabalho associado a um gás pode ser calculado através da área do gráfico pressão x volume:

Termodinâmica é um tema que cai no Enem (Foto: Reprodução)

CALOR (Q)

Já vimos que o calor é uma forma de energia em trânsito, que surge sempre que existe uma diferença de temperatura entre as partes de um sistema. Devemos apenas lembrar que, por convenção, quando um sistema, um gás, por exemplo, recebe calor, dizemos que a quantidade de calor associada a esse gás é positiva (Q > 0). Já quando perde calor, dizemos que a quantidade de calor associada a esse gás é negativa (Q < 0).

Energia Interna (U)

Chamamos de energia interna a fração da energia total de um sistema física que é determinada apenas pelo seu estado e que corresponde a soma das energias cinética e potencial das partículas (átomos, moléculas) que compõe esse sistema. Graças a essa característica microscópica, é muito difícil estimar um método para o cálculo da energia interna de um sistema qualquer, embora, para gases ideais, isso seja possível.

Pode-se demonstrar, utilizando métodos estatísticos (que não serão demonstrados aqui pois são mais longos e complexos do que esse texto se propõe), que a energia interna de um gás ideal só DEPENDE DE SUA TEMPERATURA, ou seja, só depende do estado do gás. Para um gás ideal monoatômico, por exemplo, essa energia interna pode ser calculada por:

U=32pV=32nRTU=32pV=32nRT

1ª LEI DA TERMODINÂMICA

A Primeira Lei da Termodinâmica relaciona exatamente as três formas de energia vistas acima. Na verdade, ela é a expressão da conservação de energia de um sistema. Sabemos que, se um sistema se encontra isolado, a quantidade de energia total deste não varia. Logo, se aparece energia de alguma forma no sistema, essa energia tem que ter se originado nele, vindo de alguma outra parte que o compõe.

Pense, por exemplo, na tarefa de aquecer um gás. Se ele aquece, sua energia interna aumenta. Logo, essa energia deve ser oriunda de alguma fonte. Vimos que trabalho e calor são duas formas de mudarmos a energia de um sistema. Se um sistema recebe calor, sua energia tende a aumentar. Mas pense agora no papel do trabalho. Para que você, com seus músculos, realize um trabalho, é necessário gastar sua energia química armazenada nas células. Logo, a realização de trabalho tende a diminuir a energia de um sistema, “gastando-a”.

Disso, podemos concluir que existem duas maneiras de variarmos a energia interna de um sistema: dando-lhe ou retirando-lhe calor ou fazendo com ele realize ou sofra trabalho.Isso pode ser expresso pela seguinte equação:

ΔU=Q−τΔU=Q−τ

Que é primeira lei da termodinâmica: a variação de energia interna de um sistema é igual a diferença entre o calor trocado e o trabalho realizado pelo sistema.

TRANSFORMAÇÕES PARTICULARES

Existem algumas transformações termodinâmicas particulares que nos levam a resultados interessantes quando analisados à luz da Primeira Lei da Termodinâmica. Vejamos a seguir:

– Transformação Isotérmica: nela, como a temperatura é constante ΔU = 0. Assim, temos que:

ΔU=0=Q−τ⇒Q=τΔU=0=Q−τ⇒Q=τ

Ou seja, todo o calor trocado é transformado em trabalho. Se o gás recebe calor, realiza trabalho. Se um trabalho é realizado sobre ele, perde calor. Esse resultado é interessante, pois nos leva à uma interessante ideia: poderíamos aproveitar o trabalho realizado por um gás ao cedermos calor a ele em tarefas mecânicas. O único problema é que o estado final do gás seria diferente do inicial, o que nos impediria de realizarmos essa tarefa continuamente;

– Transformação Isovolumétrica: nela, como o volume é constante, o trabalho é nulo. Assim, temos que:

ΔU=Q−0⇒ΔU=QΔU=Q−0⇒ΔU=Q

Ou seja, todo o calor trocado é transformado em energia interna, ou seja, resulta em variação de temperatura;

– Transformação Adiabática: nela, não há trocas de calor. Normalmente, acontece quando há uma expansão ou contração muito rápida de um gás (por exemplo, ao usarmos um frasco de desodorante aerossol). Assim, temos que:

ΔU=0−τ⇒Δu=−τΔU=0−τ⇒Δu=−τ

Ou seja, todo o trabalho associado ao gás é transformado em energia interna. Mas note que o sinal de menos nos leva a uma conclusão:

– Se o gás é comprimido, o trabalho é negativo. Logo a variação de energia interna é positiva e o gás esquenta;
– Se o gás se expande, o trabalho é positivo. Logo a variação de energia interna é negativa e o gás esfria. Por isso sentimos o desodorante gelado após o uso.

- Anúncio -

DEIXE UMA RESPOSTA

Por favor digite seu comentário!
Por favor, digite seu nome aqui

Esse site utiliza o Akismet para reduzir spam. Aprenda como seus dados de comentários são processados.