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As quatro leis da termodinâmica

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A termodinâmica é um assunto engraçado. A primeira vez que você “vê”, você não entende nada. A segunda vez que você “vê”, você acha que entende, exceto por um ou dois pontos. A terceira vez que você “vê”, você sabe que não entende, mas quando você acostuma com o assunto, isso não o incomoda mais. Vou tentar explicar de uma forma bem suscita. Com isso, vamos começar pelo começo, “correto”. Pois a primeira das leis da termodinâmica não é a primeira lei da termodinâmica.

A lei zero da termodinâmica

Vamos começar com a pergunta óbvia: por que não é chamada a primeira lei da termodinâmica? Acontece que esta lei foi descoberta depois da primeira e segunda leis, mas considerada mais fundamental. Então nós temos uma lei zero.

“ Se dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles estão em equilíbrio térmico um com o outro.”

E isso, naturalmente, levanta a questão da definição de equilíbrio térmico. Vamos começar com um copo de água morna. Se você deixar cair um cubo de gelo, o gelo está em equilíbrio térmico com a água? Não. Ele absorve calor da água.

Mas se pensarmos no cubo de gelo que está no freezer antes de retirá-lo. O gelo é cercado por ar frio no freezer. Assim que o gelo estiver no congelador por tempo suficiente para congelar completamente e atingir a mesma temperatura que o ar no freezer, não haverá transferência de calor entre o cubo de gelo e o ar do freezer. Agora temos um caso de equilíbrio térmico.

Assim, dois sistemas que estão em equilíbrio térmico estão na mesma temperatura, estão em contato térmico uns com os outros e não têm fluxo de calor líquido de um para o outro. Uma consequência da lei zero é que as medições de temperatura são muito importantes.

A primeira lei da termodinâmica

Na termodinâmica, a primeira lei é declarada como uma relação entre calor, trabalho e energia interna. Vamos renunciar a essa formalidade e detalhes técnicos aqui e cortar o princípio fundamental que é importante para a construção da ciência:

“ A energia não pode ser criada nem destruída.”

Sim. A primeira lei da termodinâmica é uma formulação da lei da conservação de energia. Tem muitas aplicações na construção de ciência.

Vamos começar como aquecemos os edifícios. Se for com um forno a gás, o combustível tem uma certa quantidade de energia química. Quando o gás chega ao queimador e se inflama, ele muda de forma. A reação química gera calor, o que eleva a temperatura dos gases de escape. Esses gases de escape viajam através do trocador de calor, aumentando a temperatura daquele pedaço de metal. O soprador sopra o ar sobre o trocador de calor, extrai calor do metal e o envia através dos dutos.

Cada bit de energia química convertida em calor acaba em algum lugar. Idealmente, você quer que o máximo de calor possível termine em sua casa, mas nem tudo isso acontece. Alguns sobem a chaminé com os gases de escape. Os melhores trocadores de calor captam mais calor para uso na casa, mas todos os fornos enviam pelo menos algum calor para a chaminé. Outra maneira de perder calor é quando seus dutos passam por um espaço não condicionado. A linha de fundo, porém, é que se você queima 100 unidades de energia química, você obtém 100 unidades de calor.

Aqui está outra maneira pela qual a primeira lei funciona nos prédios. Considere um ventilador de teto. No verão, você o liga para criar uma brisa agradável que sopra sobre a sua pele para refrescar você. O que acontece com a energia é que você está realmente esquentando a sala. Neste caso, a energia de entrada é elétrica. O motor do ventilador converte em energia mecânica, as pás do ventilador em movimento. Mas não converte eletricidade em movimento com 100% de eficiência. Os fios no motor do ventilador têm resistência, o que cria algum calor. Assim, parte da eletricidade é transformada em calor imediatamente.

O resto da energia mecânica, mas mesmo isso eventualmente se torna calor. Assim, toda a eletricidade que você usa para operar o ventilador de teto aquece a sala, e é por isso que não adianta deixá-los quando ninguém está lá para sentir a brisa.

A segunda lei da termodinâmica

Uma vez que os cientistas descobriram a primeira lei da termodinâmica, eles começaram a ver que isso permitiria que todos os tipos de coisas bizarras acontecessem. Vamos voltar ao nosso copo de água morna. Não violaria a primeira lei para que a água na metade inferior do vidro ficasse fria, possivelmente congelando em um bloco de gelo. Para que isso aconteça, a água na parte superior do copo teria que ficar quente, mantendo a mesma quantidade de energia térmica no vidro.

Já viu isso acontecer? Não. Pode não violar a primeira lei, mas sabemos por nossa própria experiência direta que coisas assim simplesmente não acontecem. É aí que entra a segunda lei da termodinâmica. Esta é um pouco mais complexa e tem várias formulações equivalentes.

Poderíamos ignorar os motores térmicos, a eficiência de Carnot, a entropia e a flecha do tempo, mas para os propósitos da construção da ciência, a afirmação da segunda lei de Rudolf Clausius é a mais significativa:

“A quantidade de entropia de qualquer sistema isolado termodinamicamente tende a incrementar-se com o tempo, até alcançar um valor máximo”

Quando uma parte de um sistema fechado interage com outra parte, a energia tende a dividir-se por igual, até que o sistema alcance um equilíbrio térmico. Enquanto a primeira lei da termodinâmica estabelece a conservação de energia em qualquer transformação, a segunda lei estabelece condições para que as transformações termodinâmicas possam ocorrer. A transformação de calor em trabalho por um processo cíclico exige a presença de duas fontes térmicas mantidas a temperaturas diferentes entre sí.

Uma outra maneira de ver a segunda lei é pela observação da sua relevância. A primeira lei é na verdade, um princípio de contabilidade de energia: as parcelas de energia devem ser somadas. Ou seja, a primeira lei trata das quantidades de energia. A segunda lei, entretanto, ao dizer que energia cinética (por exemplo) pode ser integralmente transformada em energia térmica (calor) mas não ao contrário, indica uma qualidade para a energia:

Exemplarmente, pode-se imaginar um automóvel a 50 km/h. Ele é subitamente freado. Toda a sua energia cinética será eventualmente transformada em energia interna das pastilhas de freio (e outras fontes de atrito) que se aquecerão. Finalmente, uma certa quantidade de calor será transferida para o meio ambiente. Entretanto, se eu ceder esta mesma quantidade de calor ao automóvel (ou ao freio), ele não sairá do lugar.

A terceira lei da termodinâmica

“O zero absoluto da temperatura é inatingível. ”

Esta lei é uma consequência direta da segunda lei. Quando um sistema se aproxima da temperatura do zero absoluto, todos os processos cessam, e a entropia tem um valor mínimo. A lei, portanto, fornece um ponto de referência para a determinação do valor da entropia.

Dúvidas, comentários ou sugestões? Utilize os comentários abaixo.

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