Termodinâmica em Física

Termodinâmica é parte da Física que estuda as leis que regem as relações entre calor, trabalho e outras formas de energia, mais especificamente a transformação de um tipo de energia em outra, a disponibilidade de energia para a realização de trabalho e a direção das trocas de calor.

Para entendermos a Termodinâmica, alguns conceitos têm que estar bem estruturados em nossas cabeças. São eles:

• Temperatura: grau de agitação das moléculas.
• Calor: troca de energia térmica entre os corpos.
• Energia: capacidade de um corpo em realizar trabalho

Transformações

Vamos lembrar das transformações que foram comentadas nas aulas de gases perfeitos:

• Isobárica: pressão constante (“bar” é uma unidade de pressão)
• Isovolumétrica ou Isocórica ou Isométrica: volume constante
• Isotérmica: temperatura constante
• Adiabática: transformação sem troca de calor com o meio externo

Note que acrescentamos uma transformação a mais: Adiabática. Essa transformação vai aparecer nessa aula, já que vamos falar de calor a partir dela.

Trabalho de um gás ideal (W)

Um gás contido num recipiente indeformável com um êmbolo é aquecido. Como as moléculas estarão mais agitadas, ocorrerá a expansão do gás.

Figura 01 – Trabalho de um gás

Utilizando a equação do trabalho (W = F.d) e a equação da pressão (p = F/A), chegamos à seguinte equação para o trabalho em um gás:

W = p . A . d

W = p . ∆V

Onde p é a pressão do gás (que deve ser constante para este tipo de análise) e ΔV é a variação do volume do gás (∆V=A.d).

Note que, para este tipo de estudo do trabalho em um gás, a pressão deve ser constante (transformação isobárica).

• O gás sofre uma expansão quando W>0 e, obrigatoriamente, ΔV>0.
• O gás sofre uma contração quando W<0 e, obrigatoriamente, ΔV<0.
• Se W=0 temos, obrigatoriamente, ΔV=0 (transformação isovolumétrica).

Calor

Calor, por definição, é a transferência de energia térmica entre corpos com temperaturas diferentes. Ou seja, se você segura um cubo de gelo na mão e sente frio, é por que você esta transferindo energia térmica do seu corpo para aquele cubo. Não entendeu isso muito bem? Da um pulo nas aulas de Calorimetria!

• Se o gás recebe calor: Q>0
• Se o gás cede calor: Q<0
• Se não ocorre troca de calor: Q=0 (transformação adiabática).

Obs.: Nas questões onde aparecer que a transformação foi muito rápida, brusca, instantânea ou algo do tipo, considerar que a transformação é adiabática.

Energia Interna (ΔU)

É soma de todas as energias das moléculas do gás. Está relacionada à agitação das moléculas do gás, ou seja, relacionado à temperatura do gás.

• Agitação (temperatura) das moléculas aumenta (ΔT>0): energia interna aumenta, ΔU>0
• Agitação (temperatura) das moléculas diminui (ΔT<0): energia interna diminui, ΔU<0
• Agitação (temperatura) das moléculas não muda (ΔT=0, transformação isotérmica): energia interna não muda, ΔU=0

Em um gás monoatômico ideal, a energia interna pode ser calculada pela seguinte relação:

U = (3/2) . n . R . T

Primeira Lei da Termodinâmica

Lei que relaciona a energia interna, quantidade de calor e trabalho de um gás:

∆U = Q - W

Dica: Pense que o calor é como a comida que você ingere para te dar energia e o trabalho é a energia que você gasta para realizar as tarefas diárias (andar, estudar, trabalhar, etc). A energia interna será o saldo de energia ao final do dia (por exemplo, a gordura, no caso de a quantidade de energia da alimentação ser maior que a energia gasta ao durante o dia).