Fala Gás Nobre, tudo bem? Preparado para reagir? Nesse artigo vamos falar sobre termodinâmica, conceitos, leis e fórmulas, além de analisar dois exercícios super interessantes sobre o tema.
TERMODINÂMICA E A FÍSICA
Pois é, Gás Nobre, a termodinâmica vem ser uma área da Física, mas para a Química, essa disciplina também é muito importante, pois estuda as transferências de energia, através de uma análise da relação entre calor, trabalho e energia.
Historicamente, essa área surge quando tivemos uma necessidade de aumentar a eficiência das máquinas a vapor, no período da Revolução Industrial, que diga-se de passagem, o professor de Física Ueslei fez um vídeo super legal falando sobre isso. Se por acaso você ainda não assistiu essa aula, clique aqui:
CONCEITOS FUNDAMENTAIS
Gás Nobre, para abordarmos a Termodinâmica alguns conceitos são bastante importantes, e estes são: calor, energia e temperatura. Então vamos ver o que cada um deles significa?
- Calor: termo relacionado com a troca de energia térmica entre partes de um mesmo sistema, ou entre sistemas diferentes;
- Energia: capacidade de realizar ação/trabalho;
- Temperatura: o que mede o grau de agitação das moléculas;
As condições de um sistema termodinâmico, podem ser descritos através de parâmetros como a pressão, temperatura e volume. Sabendo disso, temos que alterações nesses parâmetros podem ocorrer, e outros termos comuns de se aparecer nessa temática, tornam-se necessários de mencionar:
- Transformação Adiabática: transformação em que não há troca de calor com o ambiente;
- Transformação isotérmica: transformação que ocorre em temperatura constante;
- Transformação isobárica: transformação que ocorre em pressão constante;
- Transformação isocórica (ou isovolumétrica): transformação que ocorre em volume constante;
Agora que já vimos esses conceitos, vamos estudar as Leis da Termodinâmica?
AS LEIS DA TERMODINÂMICA
Existem 4 Leis da Termodinâmica:
- Lei Zero da Termodinâmica (Equilíbrio Térmico)
Corpos em contato térmico terão troca de calor entre si até ser alcançado um estado de equilíbrio térmico.
- Primeira Lei da Termodinâmica (Conservação de Energia)
A energia não pode ser criada e nem destruída, apenas transformada. Essa transformação estabelece uma equivalência entre calor e trabalho, o que pode ser representado pela fórmula:
Onde:
ΔU → Variação da Energia Interna
Q → Quantidade de Calor
W → Trabalho
- Segunda Lei da Termodinâmica (Entropia)
A entropia (desordem de um sistema termodinâmico) de um sistema isolado tende sempre ao aumento.
Isso explica a razão que um corpo mais frio (menor entropia) não consegue transferir calor para um corpo mais quente (maior entropia), mas sim, o contrário é o que ocorre.
- Terceira Lei da Termodinâmica (Temperatura do Zero Absoluto)
É impossível reduzir a temperatura de um sistema ao Zero Absoluto, onde a entropia de uma substância pura tenha a sua entropia com valor próximo a zero.
Exercício 1
Numa transformação isobárica, um gás aumentou de volume realizando um trabalho de 2 Joules sobre a vizinhança. Durante o processo, o gás recebeu 5 Joules de calor do ambiente. Determine a variação da energia interna do gás.
Resolução:
Sabemos que:
Q ➔calor que o gás recebeu do ambiente = 5 J
W ➔trabalho que o gás realizou sobre a vizinhança = 2 J
ΔU ➔variação de energia interna do gás
Determinando a variação de energia interna do gás:
∆𝑈 = 𝑄 − 𝑊
∆𝑈 = 5 − 2
∆𝑈 = 3 𝐽
Logo, a variação de energia interna do gás foi igual a 3 Joules.
OBS.: Em geral, num sistema termodinâmico, temos que:
Q> 0 ➔ O sistema recebeu calor do meio externo;
Q < 0 ➔ O sistema cedeu calor para o meio externo;
Q = 0 ➔ O sistema não fez troca de calor com o meio externo (transformação adiabática)
ΔU > 0 ➔ A energia interna do sistema aumenta, logo a temperatura do sistema também aumenta;
ΔU < 0 ➔ A energia interna do sistema diminui, logo a temperatura do sistema também diminui;
ΔU = 0 ➔ Não há variação de energia interna no sistema, logo a temperatura não se altera (transformação isotérmica);
W > 0 ➔ O sistema realiza trabalho sobre o meio externo;
W < 0 ➔ O meio externo realiza trabalho sobre o gás;
W = 0 ➔ Não há realização de trabalho pelo gás e nem sobre o gás, logo o volume não se altera (transformação isocórica);
TRABALHO DE UM GÁS
Uma das formas de se calcular o trabalho realizado entre o sistema e o meio externo, pode ser feito quando identificamos que a pressão do sistema (em nosso caso o gás) é constante. E nesse caso teremos:
Onde:
W ➔ energia, em forma de trabalho, trocada entre o sistema e o meio externo
P ➔pressão interna do gás
ΔV = Vf – Vi➔variação de volume do gás
Exercício 2
Num processo à pressão constante de 1,0.105 Pa, um gás aumenta o seu volume de 9.10-4 m3 para 14.10-4 m3 . Determine o trabalho realizado pelo gás, em joules.
Resolução
Sabemos que:
W ➔trabalho realizado pelo gás
P➔ pressão interna do gás = 1,0.105 Pa
ΔV = Vf – Vi = 14.10-4 – 9.10-4= 5.10-4 m3➔variação de volume do gás
Determinando o trabalho realizado pelo gás:
𝑊 = 𝑃. ∆𝑉
𝑊 = 1. 105 . 5. 10−4
𝑊 = 5. 105 . 10−4
𝑊 = 5. 105+(−4)
𝑊 = 5. 101
𝑊 = 50 𝐽
Logo, o trabalho realizado pelo gás é igual 50 Joules.
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