Leis da Termodinâmica

Primeira Lei da Termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica nada mais é que o princípio da conservação de energia  e, apesar de ser estudadopara os gases, pode ser aplicado em quaisquer processos em que a energia de um sistema é trocado com o meio externo na forma de calor e trabalho.

Quando fornecemos a um sistema certa quantidade de energia Q, esta energia pode ser usada de duas maneiras:

1. Uma parte da energia pode ser usada para o sistema realizar um trabalho (t), expandindo-se ou contraindo-se, ou também pode acontecer de o sistema não alterar seu volume (t = 0);

2. A outra parte pode ser absorvida pelo sistema, virando energia interna, ou seja, essa outra parte de energia é igual à variação de energia (ΔU) do sistema. Se a variação de energia for zero (ΔU = 0) o sistema utilizou toda a energia em forma de trabalho.

ΔU= Q – t

Assim temos enunciada a primeira lei da termodinâmica: a variação de energia interna ΔU de um sistema é igual a diferença entre o calor Q trocado com o meio externo e o trabalho t por ele realizado durante uma transformação.

Aplicando a lei de conservação da energia, temos:

ΔU= Q – t à Q = ΔU + t

* Q à Quantidade de calor trocado com o meio:
Q > 0 à o sistema recebe calor;
Q < 0 à o sistema perde calor.

* ΔU à Variação da energia interna do gás:
ΔU > 0 à a energia interna aumenta, portanto, sua temperatura aumenta;
ΔU < 0 à a energia interna diminui, portanto, sua temperatura diminui.

* t à Energia que o gás troca com o meio sob a forma de trabalho:
t > 0 à o gás fornece energia ao meio, portanto, o volume aumenta;
t < 0 à o gás recebe energia do meio, portanto, o volume diminui.

Segunda Lei da Termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica envolve o funcionamento das máquinas térmicas, ou seja, situações em que o calor é transformado em outras formas de energia.

O estudo das máquinas térmicas deixou os físicos bastante intrigados com situações que não ocorriam de maneira esperada, mesmo não violando a Lei da conservação de Energia.

Uma dessas situações que não ocorriam era a passagem espontânea de calor de um corpo frio para um corpo quente, o que sempre ocorre é o inverso, passagem espontânea de calor de um corpo quente para um corpo frio. Alguém poderia citar o refrigerador como a passagem de calor da região fria para uma região quente, mas não é espontâneo, para que ocorra é necessária à utilização de um motor que realize o trabalho.

A outra situação que não ocorre é a transformação integral de calor em trabalho. As máquinas térmicas trabalhamutilizando duas fontes de temperaturas diferentes, de modo que uma parte do calor retirado da fonte quente é enviada a fonte fria. Não é possível transformar todo o calor retirado da fonte quente em trabalho.

Foram essas duas situação também chamadas de proibições que deram origem a segunda lei da termodinâmica:

O calor flui espontaneamente de um corpo quente para um corpo frio, o inverso só ocorre com a realização de trabalho e nenhuma máquina térmica que opera em ciclos pode retirar calor de uma fonte e transforma-lo integralmente em trabalho.

Fazendo uma comparação entre a primeira e a segunda lei da termodinâmica, podemos dizer que 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.

Máquina Térmica

As máquinas térmicas  são máquinas capazes de converter calor em trabalho. Elas funcionam em ciclos e utilizam duas fontes de temperaturas diferentes, uma fonte quente que é de onde recebem calor e uma fonte fria que é para onde o calor que foi rejeitado é direcionado.

A respeito das máquinas térmicas é importante saber que elas não transformam todo o calor em trabalho, ou seja, o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 100%.

Rendimento de uma máquina térmica

Usando o princípio de conservação de energia, temos:

Q1 = t + Q2 → t = Q1 – Q2

O rendimento de uma máquina térmica é a razão entre a potência útil, trabalho produzido pela máquina térmica, e a potência total calor fornecido a máquina térmica pela fonte quente: