Termodinâmica

A termodinâmica é a ciência preocupada com as relações entre calor e energia mecânica ou trabalho, e a conversão de um no outro: a termodinâmica moderna lida com as propriedades dos sistemas para a descrição de qual temperatura é uma coordenada necessária.

Em Física, a termodinâmica lida com temperatura, calor e sua relação com a energia, radiação, trabalho e propriedades da matéria.

A energia pode ter qualquer forma, como energia elétrica, mecânica ou química. William Thomson cunhou o termo termodinâmica em 1749.

É derivado de duas palavras gregas “thermes” que significam calor e “dynamikos” que significam poderoso. Em vez de ser agrupada na família da química, a termodinâmica faz parte da família da física.

Assim, o termo termodinâmica significa movimento de calor ou fluxo de calor.

Essencialmente, a termodinâmica é uma ciência que estuda as mudanças de temperatura, pressão e volume em sistemas físicos na escala macroscópica, analisando o movimento coletivo de suas partículas por meio de observação e estatística.

Porque calor significa energia em trânsito e a dinâmica está associada ao movimento; a termodinâmica estuda o movimento da energia e como a energia cria o movimento.

O que é termodinâmica?

A termodinâmica é a área da ciência que inclui a relação entre o calor e outros tipos de energia.

A termodinâmica foi descoberta e estudada no início de 1800. Naquela época, foi vinculado e ganhou importância por causa do uso de máquinas a vapor.

A termodinâmica pode ser dividida em quatro leis. Embora adicionada às leis da termodinâmica após as outras três leis, a lei zero é geralmente discutida primeiro.

Ele afirma que se dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terceiro sistema, eles estão em equilíbrio térmico entre si. Em outras palavras, se dois sistemas têm a mesma temperatura que um terceiro sistema, então todos os três têm as mesmas temperaturas.

A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia total de um sistema permanece constante, mesmo que seja convertida de uma forma para outra.

Por exemplo, a energia cinética – a energia que um objeto possui quando se move – é convertida em energia térmica quando um motorista pisa no freio do carro para desacelerá-lo.

Muitas vezes existem frases de efeito para ajudar as pessoas a se lembrarem da primeira lei da termodinâmica: “Trabalho é calor e calor é trabalho”. Basicamente, trabalho e calor são equivalentes.

A segunda lei da termodinâmica é uma das leis mais básicas da ciência.

Afirma que o calor não pode fluir para um sistema a uma temperatura mais alta de um sistema a uma temperatura mais baixa por sua própria vontade. Para que tal ação ocorra, é preciso trabalhar.

Se um cubo de gelo for colocado em um copo de água morna, o cubo de gelo derrete quando o calor da água flui para ele. O resultado final é um copo de água ligeiramente mais frio.

Cubos de gelo só podem se formar se for usada energia.

Outro exemplo da segunda lei funcionando apenas com adição de energia pode ser visto com uma geladeira mais antiga. Nesse caso, o resfriamento do interior do refrigerador aquece o exterior. Então, o trabalho está feito e o trabalho produz calor. O trabalho é concluído pela bomba da geladeira.

A segunda lei da termodinâmica também diz que as coisas podem se desgastar. Por exemplo, se uma casa de tijolos for deixada sem cuidados, ela acabará desmoronando devido ao vento, chuva, frio e outras condições climáticas. No entanto, se uma pilha de tijolos for deixada sem vigilância, ela nunca formará uma casa, a menos que trabalho seja adicionado à mistura.

A terceira lei da termodinâmica afirma que a mudança na entropia de um sistema quando ele é convertido de uma forma para outra chega perto de zero à medida que sua temperatura se aproxima de zero na escala Kelvin.

Zero na escala Kelvin é o limite inferior absoluto da temperatura – quando átomos e moléculas têm a menor energia possível.

Entropia é definida como a disponibilidade de energia de um sistema para fazer o trabalho. Portanto, segue-se que existe uma escala absoluta de entropia. Conseqüentemente, nenhum sistema real pode chegar a zero grau na escala Kelvin.

O que é análise termodinâmica?

A análise termodinâmica é usada por engenheiros para avaliar como a energia afeta o desempenho dos sistemas mecânicos.

Ele usa modelos matemáticos para determinar os efeitos de diferentes entradas de energia e algumas das saídas de energia que resultam da operação de uma máquina.

Os engenheiros desenvolvem modelos para ilustrar as variáveis que têm um impacto direto no ciclo de energia do sistema.

Os sistemas comuns avaliados com este tipo de análise são motores de combustão e ciclos de vapor.

Parte de uma análise termodinâmica examina como a energia se move em um sistema mecânico, como um motor. Ele explica como essa energia faz com que o sistema funcione. Por exemplo, o motor de combustão de um veículo, a energia produzida pela queima da gasolina interage com as peças do motor, produzindo a potência necessária para o carro ou caminhão se manter em movimento.

A análise tenta explicar como esse processo funciona.

Dados diferentes valores de entrada de energia, esta análise pode ser usada para determinar as faixas de desempenho de um sistema mecânico.

Modelos matemáticos são construídos para estabelecer certos parâmetros ou leis. Em termos simples, esses modelos explicam como se a quantidade “x” de energia for colocada no sistema, ele funcionará no nível “y”.

As respostas potenciais também são medidas em uma análise termodinâmica para determinar os limites de desempenho dos sistemas.

O processo analítico decompõe e isola as diferentes fontes de energia de que um sistema precisa para produzir energia.

Ele examina como essas fontes de energia interagem umas com as outras em cada etapa do processo. Usando novamente o exemplo de um motor de automóvel, cada elemento principal do sistema – como gasolina, pressão e temperatura – seria separado e seria determinado em que ponto certos elementos e interações causariam reações diferentes dentro do motor. Por exemplo, os engenheiros sabem que quando a gasolina é aquecida, o que é acionado pelo processo de ignição do carro, ela se expande e entra em combustão para fornecer ao veículo a força de movimento.

Em uma análise termodinâmica, o desempenho de um sistema mecânico é geralmente caracterizado como um processo separado em etapas específicas. Embora as etapas separadas normalmente se complementem, cada uma é examinada para determinar como contribui para a operação do sistema e se afeta diretamente a quantidade de energia que o sistema gera. A partir dessas etapas do processo, os engenheiros desenvolvem um modelo matemático provável que pode ser usado para prever o desempenho.

Os modelos matemáticos que os engenheiros desenvolvem variam dependendo do tipo de sistema mecânico que está sendo avaliado. A maioria envolve equações algébricas, uma vez que uma análise termodinâmica freqüentemente lida com um conjunto de variáveis conhecidas e desconhecidas.

Diversas equações podem ser criadas para explicar a inter-dinâmica do sistema mecânico e suas fontes de energia.

Termodinâmica – Energia

Termodinâmica, ciência da relação entre calor, trabalho, 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.

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 da máquina térmica 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 uma máquina a vapor operando com um transferência de calor de alta temperatura como sua força motriz.

Mais tarde naquele século, essas ideias 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 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 seus arredores e o trabalho realizado pelo sistema em seus arredores.
A segunda lei da termodinâmica. O calor não flui espontaneamente de uma região mais fria para uma região mais quente ou, de forma equivalente, o calor a uma determinada temperatura não pode ser convertido inteiramente em trabalho. Conseqüentemente, a entropia de um sistema fechado, ou energia térmica por unidade de temperatura, aumenta com o tempo em direção a um valor máximo. Assim, todos os sistemas fechados tendem a um estado de equilíbrio no qual a 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 o estabelecimento de 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 no estado de energia de qualquer sistema e sua capacidade de realizar trabalhos úteis em seus arredores.

Termodinâmica e Calor: História

Antes do século 19, havia uma suposição comum de que o grau em que um objeto parecia quente ou frio baseava-se na quantidade de calor que ele continha.

Nessa época, o calor era imaginado como um líquido que fluía de um objeto quente para um objeto frio.

Durante este tempo, o fluido sem peso foi denominado “calórico”. Isso permaneceu assim até Joseph Black (1728-1799) produzir descobertas de que havia uma conexão entre a quantidade (calórica) e a intensidade (temperatura) do calor, em oposição a não haver diferença entre o calor e a temperatura.

Eventualmente, em 1847, J.P. Joule publicou o artigo definitivo que confirmou a ideia de que o calor era uma forma de energia. Após uma série de experimentos conduzidos por Joule, Helmholtz foi capaz de demonstrar visivelmente como várias formas de energia podem ser transformadas de uma para outra.

Fonte: www.khanacademy.org/webspace.clarkson.edu/Encyclopædia Britannica/www.dictionary.com/physicsforidiots.com/www.wisegeek.org/www.livescience.com/www.universalclass.com/byjus.com/web.mit.edu