A obra Primeira Lei da Termodinâmica de Leithold, Angelo Antonio, Leithold, A. A..; Angeloleithold foi licenciada com uma Licença Creative Commons - Atribuição - Uso Não-Comercial - Obras Derivadas Proibidas 3.0 Não Adaptada. Com base na obra disponível em sites.google.com. Permissões adicionais ao âmbito desta licença podem estar disponíveis em https://sites.google.com/site/bioengenharia1/termodinamicapy5aal.

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Segunda Lei da Termodinâmica

Lei Zero da Termodinâmica

Entropia

Primeira Lei da Termodinâmica: É da conservação da energia aplicada aos processos térmicos. Nela observamos a equivalência entre trabalho e calor. Este princípio pode ser enunciado a partir do conceito de energia interna. Esta pode ser entendida como a energia associada aos átomos e moléculas em seus movimentos e interações internas ao sistema.

Matematicamente

Em alguns casos, a energia é transferida para uma dada substância, contudo, a sua temperatura não varia, pois Q > 0, mas DT é nulo. Isto ocorre quando uma substância sofre uma transição de fase. Por exemplo, água em ebulição, enquanto a evaporação dura, a água não se aquece, a energia transferida é utilizada para transformar a água do estado líquido para o estado gasoso. Lembrem da aula em que expliquei sobre o processo microscópico da evaporação, uma molécula de água necessita de energia para se afastar de outras moléculas que a cercam. No processo de evaporação, a molécula deve atingir energia cinética o suficiente para sair da superfície do líquido, assim, ganhando aceleração, acaba por se tornar um gás, ou vapor d’água. Em outras palavras, a energia transferida para a água é usada na liberação das moléculas de água do meio líquido, o mesmo ocorre quando a água passa do estado sólido para o estado líquido. Um detalhe a se ressaltar, é que estou usando a água como exemplo, contudo, este serve para qualquer substância.

O calor necessário para esta transição de fase depende da quantidade de massa envolvida, e é chamado de calor latente:

Q = mL

=> L quando é chamado calor de fusão, escrevemos "L_F," < xml="true" ns="urn:schemas-microsoft-com:office:office" prefix="o" namespace="">

Quando chamamos de calor de evaporação de evaporação, "L_V."

Um exemplo:

Para a água:

L_V = 539 cal/g =40,7 kJ/mol = 2.260 kJ/kg

L_F = 79,5 cal/g =6,01 kJ/mol = 333 kJ/kg

Para especificarmos um sistema em sua totalidade, precisamos determinar diversos parâmetros acerca do sistema: Pressão, temperatura, volume e número de partículas. Estas variáveis podem ser expressas em termos de uma equação conhecida como equação de estado:

pV = nRT

Acima está a equação de estado de um gás ideal, onde p é a pressão, V o volume, n o número de moléculas, e T a temperatura do gás.

O termo R é uma constante, cujo valor é 8.314 J/mol.K. Quando existe uma quantidade desconhecida de gases ideais, é esta a equação que pode ser utilizada.

A equação de estado para um gás chamada Equação de van der Waals (Embaixo), embora mais difícil, considera as interações das moléculas do gás (N.a. Calma, não vou cobrar isto em prova, mas é bom saber para vestibular):

[p + a(n/V)²] (V/n - b) = RT

A equação é escrita desta maneira para reduzir a equação dos gases ideais quando a e b têm valor nulo.

Devidos momentos elétricos induzidos, que fazem existir uma pequena força de atração entre as moléculas, a pressão do gás deve aumentar, pois cresce com a densidade n/V (Número por volume) de moléculas. Assim, o termo a(n/V)2 é um efeito da força intermolecular que cresce à medida em que cresce o número de moléculas, que miscroscopicamente deve ser este efeito levado em consideração, pois aumenta de forma quadrática. Uma vez que as moléculas têm um tamanho finito, o volume por molécula (V/n) do termo, b. deve ser subtraído do volume da própria molécula, esta é a justificativa

Para saber qual é o trabalho realizado por um gás ideal ao ir de um estado A para um estado B é necessário conhecer como a pressão muda em função do volume. Considerando um gás empurrando um pistão com pressão p, a força sobre o pistão é o produto da pressão do gás e a área do pistão (N.a: Lembram do Laboratório? Fizemos esta experiência, só que ao contrário.). Se o gás desloca o pistão em Dx, podemos deduzir:

W = pADx = pDV

O trabalho realizado é o produto da força sobre o pistão e a distância que o pistão se moveu, , onde DV é a variação do volume do gás (o pistão foi empurrado para trás, permitindo que as moléculas de gás ocupem mais espaço). Note que se o volume do gás aumenta ele faz um trabalho positivo no ambiente externo. Se o gás for comprimido, ele faz um trabalho negativo, ou seja, para comprimir um gás é realizado trabalho. Por isso quando se enche um pneu ou uma bexiga existe uma dificuldade, esta se traduz como trabalho.

Ao construirmos um gráfico da pressão em função do volume e traçarmos o caminho do estado A, representado na figura embaixo, no diagrama p-V, para estado B, a área embaixo da curva é o trabalho realizado pelo gás.

A esta transformação se dá o nome de transformação cíclica, uma vez que retorna ao estado de origem. Observando o retorno, verificamos que o trabalho feito pelo gás é nulo, pois, a área positiva no primeiro caminho cancela a área negativa do segundo caminho.

Também é possível utilizar outro caminho de B para A, seguindo este o sentido dos ponteiros do relógio, o trabalho realizado pelo gás no ambiente externo é a área dentro do caminho, quando um gás faz um trabalho negativo num ambiente externo, nota-se uma inversão de sentido, ou seja, o sentido é contrário aos ponteiros do relógio.

Ao expandir um gás mantendo a pressão constante, pela lei dos gases ideais, a temperatura do gás aumenta, aumentando lentamente o volume do onde o gás está contido, e aquecendo-o de forma a manter a pressão constante, sua densidade diminui, contudo as moléculas mover-se-ão mais rápido, uma vez que a temperatura aumenta, logo a pressão permanece constante. Assim, através da equação dos gases perfeitos, poderemos calcular a temperatura necessária para tal transformação. Existe também a possibilidade de variar a pressão do gás mantendo o volume constante, neste caso, o gás não realiza trabalho no ambiente externo, contudo, há necessidade de inserir, ou retirar energia do gás, aquecendo-o, ou resfriando-o, para mudar a pressão, de acordo também com a equação dos gases perfeitos. Embora exista um fluxo de calor não nulo para o gás, este não realiza trabalho sobre o ambiente. Se a pressão do gás aumenta, o fluxo de calor para si é positivo se sua pressão é constante, e negativo se a pressão diminui.

O fluxo de calor é dado por:

dQ = c_VDT.

Existem outros exemplos de se transformar calor em trabalho, lembram de um aula aristotélica onde eu comentei que ao aquecermos uma borracha ela encolhe? Ao pendurarmos uma massa qualquer num elástico, à base de borracha, ao aquecê-la, parte do calor é transformado em energia potencial ao encolher, veja a figura embaixo.