termodinâmica

termodinâmica , Ciência da relação entre o calor, trabalhos , temperatura e energia . Em termos gerais, a termodinâmica lida com a transferência de energia de um lugar para outro e de uma forma para outra. O conceito-chave é que o calor é uma forma de energia que corresponde a uma determinada quantidade de trabalho mecânico.



Principais perguntas

O que é termodinâmica?

Termodinâmica é o estudo das relações entre calor, trabalho, temperatura e energia. As leis da termodinâmica descrevem como a energia em um sistema muda e se o sistema pode realizar um trabalho útil em seu entorno.



A termodinâmica é física?

Sim, a termodinâmica é um ramo da física que estuda como a energia muda em um sistema. O principal insight da termodinâmica é que o calor é uma forma de energia que corresponde ao trabalho mecânico (ou seja, exercer uma força sobre um objeto à distância).



O calor não foi formalmente reconhecido como uma forma de energia até cerca de 1798, quando o conde Rumford (Sir Benjamin Thompson), um engenheiro militar britânico, percebeu que quantidades ilimitadas de calor podiam ser geradas na perfuração de canos de canhão e que a quantidade de calor gerada é proporcional ao trabalho realizado no torneamento de uma ferramenta de mandrilar sem corte. A observação de Rumford da proporcionalidade entre o calor gerado e o trabalho realizado está na base da termodinâmica. Outro pioneiro foi o engenheiro militar francês Sadi Carnot , que introduziu o conceito do ciclo do motor térmico e o princípio da reversibilidade em 1824. O trabalho de Carnot dizia respeito às limitações da quantidade máxima de trabalho que pode ser obtida de um motor a vapor operando com uma transferência de calor de alta temperatura como sua força motriz. Mais tarde naquele século, essas idéias foram desenvolvidas por Rudolf Clausius, um matemático e físico alemão, na primeira e na segunda leis da termodinâmica, respectivamente.

As leis mais importantes da termodinâmica são:



  • A lei zero da termodinâmica. Quando dois sistemas estão cada um em equilíbrio térmico com um terceiro sistema, os primeiros dois sistemas estão em equilíbrio térmico equilíbrio um com o outro. Esta propriedade torna significativo o uso de termômetros como o terceiro sistema e para definir uma escala de temperatura.
  • A primeira lei da termodinâmica, ou lei da conservação da energia. A mudança na energia interna de um sistema é igual à diferença entre o calor adicionado ao sistema de seu entorno e o trabalho feito pelo sistema em seu entorno.
  • A segunda lei da termodinâmica. O calor não flui espontaneamente de uma região mais fria para uma região mais quente, ou, equivalentemente, o calor a uma determinada temperatura não pode ser convertido inteiramente em trabalho. Conseqüentemente, o entropia de um sistema fechado, ou energia térmica por unidade de temperatura, aumenta ao longo do tempo em direção a algum valor máximo. Assim, todos os sistemas fechados tendem a um estado de equilíbrio no qual entropia está no máximo e nenhuma energia está disponível para fazer um trabalho útil.
  • A terceira lei da termodinâmica. A entropia de um cristal perfeito de um elemento em sua forma mais estável tende a zero conforme a temperatura se aproxima do zero absoluto. Isso permite estabelecer uma escala absoluta de entropia que, do ponto de vista estatístico, determina o grau de aleatoriedade ou desordem de um sistema.

Embora a termodinâmica tenha se desenvolvido rapidamente durante o século 19 em resposta à necessidade de otimizar o desempenho das máquinas a vapor, a ampla generalidade das leis da termodinâmica as torna aplicáveis ​​a todos os sistemas físicos e biológicos. Em particular, as leis da termodinâmica fornecem uma descrição completa de todas as mudanças na estado de energia de qualquer sistema e sua capacidade de realizar um trabalho útil em seus arredores.



Este artigo cobre a termodinâmica clássica, que não envolve a consideração de átomos ou moléculas . Essas preocupações são o foco do ramo da termodinâmica conhecido como termodinâmica estatística, ou mecânica estatística, que expressa propriedades termodinâmicas macroscópicas em termos do comportamento de partículas individuais e suas interações. Ele tem suas raízes na última parte do século 19, quando as teorias atômicas e moleculares da matéria começaram a ser geralmente aceitas.

Conceitos fundamentais

Estados termodinâmicos

A aplicação dos princípios termodinâmicos começa pela definição de um sistema que é, em certo sentido, distinto de seu ambiente. Por exemplo, o sistema pode ser uma amostra de gás dentro de um cilindro com um pistão móvel, um todo motor a vapor , um corredor de maratona, o planeta terra , uma estrela de nêutrons, um buraco negro ou até mesmo o universo inteiro. Em geral, os sistemas são livres para trocar calor, trabalhos , e outras formas de energia com seus arredores.



A condição de um sistema em um determinado momento é chamada de estado termodinâmico. Para um gás em um cilindro com um pistão móvel, o estado do sistema é identificado pela temperatura, pressão e volume do gás. Essas propriedades são características parametros que têm valores definidos em cada estado e são independentes da maneira como o sistema chegou a esse estado. Em outras palavras, qualquer mudança no valor de uma propriedade depende apenas dos estados inicial e final do sistema, não do caminho percorrido pelo sistema de um estado para outro. Essas propriedades são chamadas de funções de estado. Em contraste, o trabalho realizado à medida que o pistão se move e o gás se expande e o calor que o gás absorve de seus arredores dependem da maneira detalhada como a expansão ocorre.

O comportamento de um sistema termodinâmico complexo, como Atmosfera da Terra , pode ser compreendido aplicando primeiro os princípios de estados e propriedades às suas partes componentes - neste caso, água, vapor de água e os vários gases que constituem a atmosfera. Ao isolar amostras de material cujos estados e propriedades podem ser controlados e manipulados, as propriedades e suas inter-relações podem ser estudadas à medida que o sistema muda de um estado para outro.



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