Termodinâmica, o que é e suas aplicações

A termodinâmica é uma ciência baseada no estudo da energia. Os processos termodinâmicos ocorrem diariamente no dia a dia, nas residências, na indústria, com a transformação de energia, como em aparelhos de ar condicionado, geladeiras, carros, caldeiras, entre outros. Daí a importância do estudo da Termodinâmica, baseado em quatro leis básicas que estabelecem as relações entre a qualidade e a quantidade de energia e as propriedades termodinâmicas.

Para compreender as leis da Termodinâmica, de forma fácil, é necessário partir de alguns conceitos básicos que serão expostos a seguir, como energia, calor, temperatura, entre outros.

Nós convidamos você a ver o artigo O poder da lei de Watt (aplicativos - exercícios)

Termodinâmica

Um pouco de história:

A termodinâmica estuda as trocas e transformações de energia nos processos. Já na década de 1600 Galileu começou a fazer estudos nessa área, com a invenção do termômetro de vidro, e a relação da densidade de um fluido e sua temperatura.

Com a revolução industrial, são realizados estudos para conhecer as relações entre calor, trabalho e energia dos combustíveis, bem como para melhorar o desempenho das máquinas a vapor, emergindo a termodinâmica como ciência de estudo, a partir de 1697 com a máquina a vapor de Thomas Savery. . A primeira e a segunda leis da termodinâmica foram estabelecidas em 1850. Muitos cientistas como Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, entre outros, contribuíram para o desenvolvimento desta ciência, a "Termodinâmica".

O que é termodinâmica?

A termodinâmica é uma ciência que estuda as transformações de energia. Desde que inicialmente se estudou como transformar calor em energia, nas máquinas a vapor, as palavras gregas "thermos" e "dynamis" foram utilizadas para denominar esta nova ciência, formando a palavra "termodinâmica". Veja a figura 1.

Aplicações Termodinâmicas

A área de aplicação da termodinâmica é muito ampla. A transformação da energia ocorre em múltiplos processos desde o corpo humano, com a digestão dos alimentos, até inúmeros processos industriais para a produção de produtos. Nas residências também existem aparelhos onde a termodinâmica é aplicada em ferros de engomar, esquentadores, condicionadores de ar, entre outros. Os princípios da termodinâmica também são aplicados em uma ampla variedade de campos, como usinas de energia, automóveis e foguetes. Veja a figura 2.

Noções básicas de Termodinâmica

Energia (E)

Propriedade de qualquer corpo ou sistema material ou imaterial que pode ser transformado pela modificação de sua situação ou estado. Também é definido como o potencial ou capacidade de mover matéria. Na figura 3 você pode ver algumas fontes de energia.

Formas de energia

A energia vem em muitas formas, como eólica, elétrica, mecânica, nuclear, entre outras. No estudo da termodinâmica, utiliza-se a energia cinética, a energia potencial e a energia interna dos corpos. A energia cinética (Ec) está relacionada com a velocidade, a energia potencial (Ep) com a altura e a energia interna (U) com o movimento das moléculas internas. Veja a figura 4.

Calor (Q):

Transferência de energia térmica entre dois corpos que estão em temperaturas diferentes. O calor é medido em Joule, BTU, libra-pés ou em calorias.

Temperatura (T):

É uma medida da energia cinética dos átomos ou moléculas que constituem qualquer objeto material. Ele mede o grau de agitação das moléculas internas de um objeto, de sua energia térmica. Quanto maior o movimento das moléculas, mais alta é a temperatura. É medido em graus Celsius, graus Kelvin, graus Rankine ou graus Fahrenheit. Na figura 5 é apresentada a equivalência entre algumas escalas de temperatura.

Princípios Termodinâmicos

O estudo das transformações de energia na termodinâmica é baseado em quatro leis. A primeira e a segunda leis estão relacionadas à qualidade e quantidade de energia; enquanto a terceira e a quarta leis estão relacionadas às propriedades termodinâmicas (temperatura e entropia). Veja as figuras 6 e 7.

Primeira Lei da Termodinâmica:

A primeira lei estabelece o princípio da conservação de energia. A energia pode ser transferida de um corpo para outro, ou alterada para outra forma de energia, mas é sempre conservada, então a quantidade total de energia sempre permanece constante.

Uma rampa de patinação é um bom exemplo da Lei da Conservação da Energia, onde se verifica que a energia não é criada ou destruída, mas sim transformada em outro tipo de energia. Para um patinador como o da figura 8, quando apenas a força gravitacional influencia, temos que:

• Posição 1: Quando o patinador está no topo da rampa, ele possui energia interna e energia potencial devido à altura em que se encontra, mas sua energia cinética é zero por não estar em movimento (velocidade = 0 m / s).
• Posição 2: Conforme o patinador começa a deslizar pela rampa, a altura diminui, diminuindo a energia interna e a energia potencial, mas aumentando sua energia cinética, visto que sua velocidade aumenta. A energia é transformada em energia cinética. Quando o patinador atinge o ponto mais baixo da rampa (posição 2), sua energia potencial é zero (altura = 0m), enquanto ele adquire a maior velocidade em sua descida pela rampa.
• Posição 3: Conforme a rampa sobe, o patinador perde velocidade, diminuindo sua energia cinética, mas a energia interna aumenta, e a energia potencial, conforme ele ganha altura.

Segunda lei da termodinâmica:

A segunda lei diz respeito à “qualidade” da energia, na otimização da conversão e / ou transmissão de energia. Esta lei estabelece que em processos reais a qualidade da energia tende a diminuir. A definição da propriedade termodinâmica "entropia" é introduzida. No enunciado da segunda lei, fica estabelecido quando um processo pode ocorrer e quando não pode, mesmo que a primeira lei continue a ser cumprida. Veja a figura 9.

Lei Zero:

A lei zero afirma que se dois sistemas estão em equilíbrio com um terceiro, eles estão em equilíbrio um com o outro. Por exemplo, para a Figura 10, se A está em equilíbrio térmico com C, e C está em equilíbrio térmico com B, então A está em equilíbrio térmico com B.

Outros conceitos do Termodinâmica

Sistema

Parte do universo que é de interesse ou estudo. Para a xícara de café da Figura 11, o "sistema" é o conteúdo da xícara (café) onde a transferência de energia térmica pode ser estudada. Veja a figura 12. [4]

Ambiente

É o resto do universo externo ao sistema em estudo. Na Figura 12, a xícara de café é considerada a “borda” que contém o café (sistema) e o que está fora da xícara (borda) é o “ambiente” do sistema.

Equilíbrio Termodinâmico

Estado em que as propriedades do sistema estão bem definidas e não variam com o tempo. Quando um sistema apresenta equilíbrio térmico, equilíbrio mecânico e equilíbrio químico, ele está em “equilíbrio termodinâmico”. Em equilíbrio, um sistema não pode modificar seu estado, a menos que um agente externo atue sobre ele. Veja a figura 13.

parede

Entidade que permite ou impede interações entre sistemas. Se a parede permite a passagem de substância, diz-se que é uma parede permeável. Uma parede adiabática é aquela que não permite a transferência de calor entre dois sistemas. Quando a parede permite a transferência de energia térmica, é chamada de parede diatérmica. Veja a figura 14.

Conclusão

Energia é a capacidade de mover matéria. Isso pode ser transformado pela modificação de sua situação ou estado.

A termodinâmica é uma ciência que estuda as trocas e transformações de energia em processos. O estudo das transformações de energia na termodinâmica é baseado em quatro leis. A primeira e a segunda leis estão relacionadas à qualidade e quantidade de energia; enquanto a terceira e a quarta leis estão relacionadas às propriedades termodinâmicas (temperatura e entropia).

A temperatura é uma medida do grau de agitação das moléculas que compõem um corpo, enquanto o calor é a transferência de energia térmica entre dois corpos que estão em temperaturas diferentes.

O equilíbrio termodinâmico existe quando o sistema está simultaneamente em equilíbrio térmico, equilíbrio mecânico e equilíbrio químico.

Nota de agradecimento: Para o desenvolvimento deste artigo, tivemos a honra de receber o conselho do Ing. Marisol Pino, Especialista em Instrumentação e Controle Industrial.