Fundamentos da Termodinâmica: Conceitos e Aplicações

Fundamentos da Termodinâmica

A termodinâmica estuda os fenômenos de trocas de calor que ocorrem no universo. Os eventos do nosso dia a dia, como mudanças climáticas (correntes oceânicas, o vento, os fluxos de ar) e atividades industriais (extração de metais, motores de combustão interna, refrigeradores, detonação de explosivos, etc.), podem ser analisados pelas chamadas 3 leis gerais da termodinâmica, que se propõem a descrever qualitativa e quantitativamente estes fenômenos.

O atomismo e a termodinâmica constituem a base teórica da ciência dos materiais. Diferentemente do atomismo, a termodinâmica clássica, inventada por Sadi Carnot (1) e Rudolf Clausius (2), não se ocupa da posição ou da velocidade dos átomos. O foco da termodinâmica clássica são as propriedades macroscópicas (pressão, volume, temperatura e composição química). James Clerk Maxwell (3) e, especialmente, Ludwig Boltzmann (4), criador da termodinâmica estatística, propuseram uma origem atomística para as leis da termodinâmica.

De acordo com as ideias de Maxwell-Boltzmann, quando um sistema (qualquer corpo, partícula, conjunto de corpos ou de partículas fixados para observação) é constituído de um grande número de moléculas, o comportamento aleatório de cada uma delas, individualmente, é obscurecido pelo comportamento médio e estatístico do conjunto. Esse comportamento médio resulta nos valores macroscópicos da temperatura, pressão, composição química, etc.

Sistemas Termodinâmicos

A termodinâmica estuda, portanto, sistemas. Um sistema é uma parte do universo, isolada para fins de estudo. O sistema é separado do restante do universo por meio de uma fronteira que pode ser fixa ou móvel, real ou imaginária. Os sistemas podem ser classificados em:

• Abertos: permitem a troca de matéria e energia com a vizinhança.
• Fechados: permitem apenas a troca de energia.
• Isolados: não permitem a troca de matéria nem de energia.

Transformações e Estado Termodinâmico

Diz-se que um sistema sofreu uma transformação quando seu estado varia. Se mudam a pressão e o volume, mas a temperatura permanece a mesma, dizemos que se trata de um processo isotérmico. Se a pressão permanece constante, o processo é isobárico; se o volume permanece constante, o processo é isovolumétrico. Do mesmo modo, quando a transformação não envolve troca de calor com o meio externo, ela é denominada transformação adiabática.

Se o conjunto de medidas das propriedades físicas feitas em um sistema é suficientemente completo, podemos dizer que este conjunto de medidas fixa o estado termodinâmico do sistema.

Figura 10.a - Máquinas térmicas.

Notas:

• (1) Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832): Engenheiro francês, autor de "Reflexões sobre a potência motriz do fogo e sobre as máquinas adequadas para desenvolver esta potência" (1824). Considerado o autor das bases da termodinâmica clássica e da segunda lei.
• (2) Rudolf Julius Emmanuel Clausius (1822-1888): Físico alemão que formulou a teoria mecânica do calor e inventou o termo "entropia" (1865). Leis: 1. A energia do universo é constante; 2. A entropia do universo tende para um máximo.
• (3) James Clerk Maxwell (1831-1879): Físico britânico, criador da teoria cinética dos gases e do eletromagnetismo.
• (4) Ludwig Boltzmann (1844-1906): Físico austríaco, criador da interpretação probabilística da temperatura e defensor do atomismo.