Uma Visão Geral da Termodinâmica

A Física do Calor

Uma barra de metal aquecida. Imagens de Dave King/Getty

A termodinâmica é a área de física que trata da relação entre aquecer e outras propriedades (como pressão , densidade ,temperatura, etc.) em uma substância.

Especificamente, a termodinâmica se concentra em grande parte em como um transferência de calor está relacionado a várias mudanças de energia dentro de um sistema físico passando por um processo termodinâmico. Tais processos geralmente resultam em trabalhar sendo feito pelo sistema e são guiados pela leis da termodinâmica .

Conceitos básicos de transferência de calor

De um modo geral, o calor de um material é entendido como uma representação da energia contida nas partículas desse material. Isso é conhecido como o teoria cinética dos gases , embora o conceito se aplique em vários graus a sólidos e líquidos também. O calor do movimento dessas partículas pode ser transferido para partículas próximas e, portanto, para outras partes do material ou outros materiais, através de uma variedade de meios:

• Contato térmico é quando duas substâncias podem afetar a temperatura uma da outra.
• Equilíbrio térmico é quando duas substâncias em contato térmico não transferem mais calor.
• Expansão térmica ocorre quando uma substância se expande em volume à medida que ganha calor. A contração térmica também existe.
• Condução é quando o calor flui através de um sólido aquecido.
• Convecção é quando partículas aquecidas transferem calor para outra substância, como cozinhar algo em água fervente.
• Radiação é quando o calor é transferido através de ondas eletromagnéticas, como do sol.
• Isolamento é quando um material de baixa condução é usado para evitar a transferência de calor.

Processos Termodinâmicos

Um sistema sofre uma processo termodinâmico quando há algum tipo de mudança energética dentro do sistema, geralmente associada a mudanças na pressão, volume, energia interna (ou seja, temperatura) ou qualquer tipo de transferência de calor.

Existem vários tipos específicos de processos termodinâmicos que possuem propriedades especiais:

• Processo adiabático - um processo sem transferência de calor para dentro ou para fora do sistema.
• Processo isocórico - um processo sem variação de volume, caso em que o sistema não funciona.
• Processo isobárico - um processo sem alteração de pressão.
• Processo isotérmico - um processo sem mudança de temperatura.

Estados da matéria

Um estado da matéria é uma descrição do tipo de estrutura física que uma substância material manifesta, com propriedades que descrevem como o material se mantém unido (ou não). Há cinco Estados da matéria , embora apenas os três primeiros deles sejam geralmente incluídos na maneira como pensamos sobre os estados da matéria:

• gás
• líquido
• sólido
• plasma
• superfluido (como Condensado de Bose-Einstein )

Muitas substâncias podem fazer a transição entre as fases gasosa, líquida e sólida da matéria, enquanto apenas algumas substâncias raras são conhecidas por serem capazes de entrar em um estado superfluido. O plasma é um estado distinto da matéria, como um raio

• condensação - gás para líquido
• congelamento - líquido a sólido
• fusão - sólido a líquido
• sublimação - sólido a gás
• vaporização - líquido ou sólido para gás

Capacidade de calor

A capacidade de calor, C , de um objeto é a razão de mudança no calor (variação de energia, Δ Q , onde o símbolo grego Delta, Δ, denota uma mudança na quantidade) para mudar na temperatura (Δ T ).

C = D Q /D T

A capacidade calorífica de uma substância indica a facilidade com que uma substância se aquece. UMA bom condutor térmico teria um baixa capacidade de calor , indicando que uma pequena quantidade de energia causa uma grande mudança de temperatura. Um bom isolante térmico teria uma grande capacidade calorífica, indicando que é necessária muita transferência de energia para uma mudança de temperatura.

Equações de Gás Ideal

Existem vários equações de gás ideal que relacionam a temperatura ( T ₁), pressão ( P ₁) e volume ( DENTRO ₁). Esses valores após uma mudança termodinâmica são indicados por ( T _dois), ( P _dois), e ( DENTRO _dois). Para uma dada quantidade de uma substância, n (medido em mols), as seguintes relações são válidas:

Lei de Boyle ( T é constante):
P ₁ DENTRO ₁= P _dois DENTRO _dois
Lei Charles/Gay-Lussac ( P é constante):
DENTRO ₁/ T ₁= DENTRO _dois/ T _dois
Lei do Gás Ideal :
P ₁ DENTRO ₁/ T ₁= P _dois DENTRO _dois/ T _dois= n

R é o constante de gás ideal , R = 8,3145 J/mol*K. Para uma dada quantidade de matéria, portanto, n é constante, o que dá a Lei do Gás Ideal.

Leis da Termodinâmica

• Lei Zero da Termodinâmica - Dois sistemas em equilíbrio térmico com um terceiro sistema estão em equilíbrio térmico entre si.
• Primeira Lei da Termodinâmica - A mudança na energia de um sistema é a quantidade de energia adicionada ao sistema menos a energia gasta fazendo trabalho.
• Segunda Lei da Termodinâmica - É impossível que um processo tenha como único resultado a transferência de calor de um corpo mais frio para um mais quente.
• Terceira Lei da Termodinâmica - É impossível reduzir qualquer sistema a zero absoluto em uma série finita de operações. Isso significa que uma máquina térmica perfeitamente eficiente não pode ser criada.

A Segunda Lei e a Entropia

A Segunda Lei da Termodinâmica pode ser reformulada para falar sobre entropia , que é uma medida quantitativa da desordem em um sistema. A variação de calor dividida pela temperatura absoluta é o mudança de entropia do processo. Definida desta forma, a Segunda Lei pode ser reformulada como:

Em qualquer sistema fechado, a entropia do sistema permanecerá constante ou aumentará.

Por ' Sistema fechado ' significa que todo parte do processo é incluída no cálculo da entropia do sistema.

Mais sobre Termodinâmica

De certa forma, tratar a termodinâmica como uma disciplina distinta da física é enganoso. A termodinâmica toca praticamente todos os campos da física, da astrofísica à biofísica, porque todos eles lidam de alguma forma com a mudança de energia em um sistema. Sem a capacidade de um sistema de usar energia dentro do sistema para realizar trabalho – o coração da termodinâmica – não haveria nada para os físicos estudarem.

Dito isto, existem alguns campos que usam a termodinâmica de passagem à medida que estudam outros fenômenos, enquanto há uma ampla gama de campos que se concentram fortemente nas situações termodinâmicas envolvidas. Aqui estão alguns dos subcampos da termodinâmica:

Criofísica / Criogenia / Física de Baixa Temperatura- o estudo de propriedades físicas em situações de baixa temperatura, muito abaixo das temperaturas experimentadas mesmo nas regiões mais frias da Terra. Um exemplo disso é o estudo de superfluidos. Dinâmica dos Fluidos / Mecânica dos Fluidos- o estudo das propriedades físicas dos 'fluidos', especificamente definidos neste caso como líquidos e gases. Física de alta pressão- a estudo de física em sistemas de pressão extremamente alta, geralmente relacionados à dinâmica dos fluidos. Meteorologia / Física do Tempo- a física do clima, sistemas de pressão na atmosfera, etc. Física de Plasma- o estudo da matéria no estado de plasma.