O estudo da relação entre energia e entropia é o que a termodinâmica técnica estuda. Abrange todo um conjunto de teorias que relacionam propriedades macroscópicas mensuráveis (temperatura, pressão e volume) à energia e sua capacidade de realizar trabalho.
Introdução
Os conceitos de calor e temperatura são os mais fundamentais para a termodinâmica técnica. Pode ser chamada de ciência de todos os fenômenos que dependem da temperatura e de suas mudanças. Na física estatística, da qual agora faz parte, é uma das grandes teorias em que se baseia a compreensão atual da matéria. Um sistema termodinâmico é definido como uma quantidade de matéria de massa e identidade fixas. Tudo o que lhe é exterior é o ambiente do qual está separado por limites. As aplicações da termodinâmica técnica incluem construções como:
- ar condicionados e geladeiras;
- turbocompressores e superalimentadores em motores automotivos;
- turbinas a vapor em usinas de energia;
- reativomotores de aeronaves.
Calor e temperatura
Toda pessoa tem um conhecimento intuitivo do conceito de temperatura. O corpo está quente ou frio, dependendo se sua temperatura é mais ou menos alta. Mas a definição exata é mais difícil. Na termodinâmica técnica clássica, a temperatura absoluta de um corpo foi definida. Isso levou à criação da escala Kelvin. A temperatura mínima para todos os corpos é zero Kelvin (-273, 15°C). Este é o zero absoluto, cujo conceito apareceu pela primeira vez em 1702 graças ao físico francês Guillaume Amonton.
O calor é mais difícil de definir. A termodinâmica técnica a interpreta como uma transferência aleatória de energia do sistema para o ambiente externo. Corresponde à energia cinética das moléculas em movimento e sendo submetidas a impactos aleatórios (movimento browniano). A energia transmitida é chamada desordenada no nível microscópico, ao contrário de ordenada, realizada através do trabalho no nível macroscópico.
Estado da matéria
Um estado da matéria é uma descrição do tipo de estrutura física que uma substância apresenta. Possui propriedades que descrevem como um material mantém sua estrutura. Existem cinco estados da matéria:
- gás;
- líquido;
- corpo sólido;
- plasma;
- superfluido (o mais raro).
Muitas substâncias podem se mover entre as fases gasosa, líquida e sólida. O plasma é um estado especial da matériacomo um raio.
Capacidade de calor
Capacidade de calor (C) é a razão entre a variação de calor (ΔQ, onde o caractere grego Delta significa quantidade) e a variação de temperatura (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Ela mostra a facilidade com que a substância é aquecida. Um bom condutor térmico tem uma baixa capacitância. Isolador de calor forte com alta capacidade de calor.
Terminologia
Cada ciência tem seu próprio vocabulário único. Os conceitos básicos da termodinâmica técnica incluem:
- Transferência de calor é a troca mútua de temperaturas entre duas substâncias.
- Abordagem microscópica - o estudo do comportamento de cada átomo e molécula (mecânica quântica).
- Abordagem macroscópica - observação do comportamento geral de muitas partículas.
- Sistema termodinâmico é a quantidade de substância ou área no espaço escolhida para pesquisa.
- Ambiente - todos os sistemas externos.
- Condução - o calor é transferido através de um corpo sólido aquecido.
- Convecção - partículas aquecidas devolvem calor a outra substância.
- Radiação - o calor é transmitido através de ondas eletromagnéticas, como do sol.
- Entropia - em termodinâmica é uma grandeza física usada para caracterizar um processo isotérmico.
Mais sobre ciência
A interpretação da termodinâmica como uma disciplina separada da física não é totalmente correta. Afeta quase tudoáreas. Sem a capacidade do sistema de usar energia interna para realizar trabalho, os físicos não teriam nada para estudar. Existem também algumas áreas muito úteis da termodinâmica:
- Engenharia do calor. Estuda duas possibilidades de transferência de energia: trabalho e calor. Associado à avaliação da transferência de energia na substância de trabalho da máquina.
- Criofísica (criogenia) - a ciência das baixas temperaturas. Explora as propriedades físicas das substâncias em condições experimentadas mesmo na região mais fria da Terra. Um exemplo disso é o estudo de superfluidos.
- Hidrodinâmica é o estudo das propriedades físicas dos líquidos.
- Física das altas pressões. Explora as propriedades físicas das substâncias em sistemas de pressão extremamente alta relacionados à dinâmica dos fluidos.
- Meteorologia é o estudo científico da atmosfera que se concentra nos processos e previsões meteorológicas.
- Plasma Physics - o estudo da matéria no estado de plasma.
Lei Zero
O assunto e o método da termodinâmica técnica são observações experimentais escritas na forma de leis. A lei zero da termodinâmica afirma que quando dois corpos têm a mesma temperatura com um terceiro, eles, por sua vez, têm a mesma temperatura entre si. Por exemplo: um bloco de cobre é posto em contato com um termômetro até que a temperatura seja igual. Em seguida, é removido. O segundo bloco de cobre é posto em contato com o mesmo termômetro. Se não houver mudança no nível de mercúrio, então podemos dizer que ambos os blocos estão emequilíbrio térmico com um termômetro.
Primeira Lei
Esta lei afirma que, à medida que o sistema sofre uma mudança de estado, a energia pode cruzar a fronteira na forma de calor ou trabalho. Cada um deles pode ser positivo ou negativo. A variação de energia líquida de um sistema é sempre igual à energia líquida que cruza a fronteira do sistema. Este último pode ser interno, cinético ou potencial.
Segunda Lei
É usado para determinar a direção na qual um determinado processo térmico pode ocorrer. Essa lei da termodinâmica afirma que é impossível criar um dispositivo que funcione em ciclo e não produza nenhum efeito além de transferir calor de um corpo com temperatura mais baixa para um corpo mais quente. Às vezes é chamada de lei da entropia porque introduz essa importante propriedade. A entropia pode ser pensada como uma medida de quão próximo um sistema está do equilíbrio ou desordem.
Processo térmico
O sistema sofre um processo termodinâmico quando ocorre algum tipo de mudança de energia nele, geralmente associada à transformação de pressão, volume, temperatura. Existem vários tipos específicos com propriedades especiais:
- adiabático - sem troca de calor no sistema;
- isochoric - sem mudança de volume;
- isobárica - nenhuma mudança na pressão;
- isotérmica - sem mudança de temperatura.
Reversibilidade
Um processo reversível é aquele que, depois de realizado, pode sercancelado. Não deixa nenhuma mudança no sistema ou no ambiente. Para ser reversível, o sistema deve estar em equilíbrio. Existem fatores que tornam o processo irreversível. Por exemplo, atrito e expansão descontrolada.
Aplicativo
Muitos aspectos da vida da humanidade moderna são construídos sobre os fundamentos da engenharia do calor. Estes incluem:
- Todos os veículos (carros, motocicletas, carroças, navios, aviões, etc.) operam com base na segunda lei da termodinâmica e no ciclo de Carnot. Eles podem usar um motor a gasolina ou diesel, mas a lei continua a mesma.
- Compressores de ar e gás, sopradores, ventiladores operam em diferentes ciclos termodinâmicos.
- A troca de calor é usada em evaporadores, condensadores, radiadores, resfriadores, aquecedores.
- Geladeiras, freezers, sistemas de refrigeração industrial, todos os tipos de sistemas de ar condicionado e bombas de calor funcionam de acordo com a segunda lei.
A termodinâmica técnica também inclui o estudo de vários tipos de usinas: térmicas, nucleares, hidrelétricas, baseadas em fontes de energia renováveis (como solar, eólica, geotérmica), marés, ondas e outras.
