Termodinâmica

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Termodinâmica

Ramo da física que estuda as relações entre calor, trabalho, temperatura e energia em sistemas físicos.

Sistema termodinâmico

Região do espaço ou quantidade de matéria delimitada por fronteiras reais ou imaginárias para estudo.

Vizinhança

Tudo o que está fora das fronteiras de um sistema termodinâmico e que pode interagir com ele.

Sistema aberto

Sistema termodinâmico que permite a troca simultânea de matéria e de energia com o meio externo.

Sistema fechado

Sistema que permite a troca de energia térmica ou mecânica com a vizinhança, mas impede a troca de matéria.

Sistema isolado

Sistema que não troca matéria nem energia sob nenhuma forma com a sua vizinhança.

Calor (Q)

Energia térmica em trânsito entre corpos devido exclusivamente a uma diferença de temperatura entre eles.

Unidade de calor no SI

Joule (J). Frequentemente também se utiliza a caloria (cal), onde 1 cal equivale a aproximadamente 4,184 J.

Temperatura (T)

Grandeza macroscópica proporcional à energia cinética média de translação das partículas de um corpo.

Unidade de temperatura no SI

Kelvin (K). Relação com a escala Celsius: T(K) = T(°C) + 273,15.

Trabalho mecânico de um gás (W)

Energia mecânica transferida por meio da variação de volume do gás sob determinada pressão.

Fórmula do trabalho a pressão constante

W = P * ΔV, onde P representa a pressão e ΔV representa a variação volumétrica sofrida pelo gás.

Convenção de sinal do trabalho (W > 0)

Trabalho positivo significa que o sistema realizou trabalho sobre a vizinhança durante uma expansão.

Convenção de sinal do trabalho (W < 0)

Trabalho negativo significa que a vizinhança realizou trabalho sobre o sistema durante uma compressão.

Energia interna (U)

Soma de todas as energias cinéticas e potenciais das partículas constituintes de um sistema físico.

Energia interna do gás monoatômico ideal

U = (3/2) * n * R * T, demonstrando que ela depende unicamente da temperatura absoluta do gás.

Variação da energia interna (ΔU)

ΔU = (3/2) * n * R * ΔT para gases monoatômicos, indicando que se a temperatura não muda, ΔU é zero.

Lei Zero da Termodinâmica

Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, ambos estão em equilíbrio térmico entre si.

Equilíbrio térmico

Estado no qual dois ou mais sistemas em contato térmico cessam a troca de calor por terem a mesma temperatura.

Primeira Lei da Termodinâmica

Princípio da conservação da energia afirmando que a variação de energia interna é a diferença entre calor e trabalho.

Fórmula da Primeira Lei

ΔU = Q - W, onde ΔU é a variação da energia interna, Q é o calor trocado e W é o trabalho realizado.

Transformação isobárica

Processo termodinâmico que ocorre sob pressão estritamente constante (P = constante).

Primeira Lei na transformação isobárica

ΔU = Q - P * ΔV, onde parte do calor fornecido altera a energia interna e parte realiza expansão mecânica.

Transformação isocórica ou isométrica

Processo termodinâmico no qual o volume do sistema permanece constante (V = constante).

Primeira Lei na transformação isocórica

Como ΔV = 0, o trabalho W é nulo, resultando na igualdade direta ΔU = Q.

Transformação isotérmica

Processo termodinâmico que ocorre com a temperatura do sistema mantida constante (T = constante).

Primeira Lei na transformação isotérmica

Como a temperatura não varia, ΔU = 0, o que implica que todo o calor trocado vira trabalho: Q = W.

Transformação adiabática

Processo extremamente rápido ou isolado termicamente no qual não há qualquer troca de calor (Q = 0).

Primeira Lei na transformação adiabática

Como Q = 0, tem-se ΔU = -W, significando que uma expansão consome energia interna e esfria o gás.

Segunda Lei da Termodinâmica

O calor flui espontaneamente apenas do corpo mais quente para o mais frio, e a entropia total sempre cresce.

Enunciado de Clausius

É impossível construir um dispositivo que transfira calor de uma fonte fria para uma quente sem consumo de trabalho externo.

Enunciado de Kelvin-Planck

É impossível construir uma máquina térmica cíclica cujo único efeito seja retirar calor de uma fonte e convertê-lo integralmente em trabalho.

Entropia (S)

Grandeza macroscópica associada ao grau de irreversibilidade de processos e à dispersão de energia de um sistema.

Variação de entropia reversível (ΔS)

ΔS = Q / T, onde Q é a quantidade de calor transferida reversivelmente e T é a temperatura absoluta em Kelvin.

Unidade de entropia no SI

Joule por Kelvin (J/K).

Princípio do aumento da entropia

Em qualquer processo natural que ocorra em um sistema isolado, a entropia total do universo sempre aumenta ou permanece constante.

Máquina térmica

Dispositivo cíclico que absorve calor de uma fonte quente, realiza trabalho útil e rejeita calor para uma fonte fria.

Rendimento de máquina térmica (η)

Razão entre o trabalho realizado (W) e o calor total retirado da fonte quente (Q quente): η = W / Qq.

Fórmula alternativa do rendimento

η = 1 - (Qf / Qq), onde Qf é o calor cedido à fonte fria e Qq é o calor retirado da fonte quente.

Ciclo de Carnot

Ciclo termodinâmico teórico ideal e reversível que estabelece o rendimento máximo possível entre duas temperaturas.

Etapas do Ciclo de Carnot

Composto sucessivamente por: expansão isotérmica, expansão adiabática, compressão isotérmica e compressão adiabática.

Rendimento do Ciclo de Carnot

η = 1 - (Tf / Tq), dependendo exclusivamente das temperaturas absolutas em Kelvin das fontes fria e quente.

Teorema de Carnot

Nenhuma máquina térmica operando entre duas temperaturas pode ter rendimento maior que o de uma máquina reversível de Carnot.

Máquina frigorífica ou refrigerador

Dispositivo que recebe trabalho externo para retirar calor de uma região fria e transferi-lo para uma quente.

Coeficiente de desempenho frigorífico (COP)

Mede a eficácia de um refrigerador pela razão entre o calor retirado da fonte fria e o trabalho gasto: COP = Qf / W.

Processo reversível

Processo ideal quase-estático que pode ter seu sentido invertido sem provocar qualquer alteração residual no universo.

Processo irreversível

Processo natural espontâneo que não pode retornar ao estado inicial sem intervenção externa geradora de entropia.

Terceira Lei da Termodinâmica

Conforme a temperatura de um sistema se aproxima do zero absoluto (0 K), a sua entropia tende a um valor mínimo constante.

Zero absoluto

Temperatura de 0 Kelvin (-273,15 °C), limite teórico inatingível onde a energia cinética molecular seria mínima.

Gás ideal ou perfeito

Modelo teórico de gás cujas moléculas têm volume pontual desprezível e interagem apenas por colisões elásticas.