Leis da Termodinâmica – Resumo

Resumidamente as leis da termodinâmica se baseiam nas seguintes definições:

  • A lei zero é a que define a temperatura;
  • A primeira lei da termodinâmica, que significa energia interna, trabalho ou calor, é a do princípio da conservação da energia;
  • A segunda lei define entropia e fornece regras para conversão de energia térmica em trabalho mecânico;
  • A terceira lei distingue limitações para a aquisição do zero absoluto de temperatura.

Lei zero da termodinâmica

Se A e B são dois corpos em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então, A e B estão em equilíbrio térmico um com o outro, isto é, a temperatura desses sistemas é igual. Essa lei foi postulada por meio das noções que se tem sobre frio e quente, principalmente, pelo contato com a pele. Embora não sejam sempre exatas, pois podem resultar em avaliações errôneas, mas é de uso corrente.

Primeira lei da termodinâmica

É uma versão da lei de conservação da energia, também chamado de Princípio de Joule, sendo a lei sobre a conservação de energia aplicada aos processos térmicos. Ela dá a equivalência entre trabalho e calor e, dessa forma, pode ser enunciada da maneira seguinte: “em todo sistema quimicamente isolado em que há troca de trabalho e calor com o meio externo e em que, durante essa transformação, realiza-se um ciclo (o estado inicial do sistema é igual a seu estado final), as quantidades de calor (Q) e trabalho (W) trocadas são iguais”.

Essa enunciação resulta na equação W = JQ. Aqui, J é uma constante que corresponde ao ajuste entre as unidades de calor (Q) e Joule (W). Essa constante é empregada na própria definição de caloria (1 cal = 4,1868J). A primeira lei da termodinâmica também pode ser exprimida com o conceito de energia interna, que é a energia relacionada aos átomos e moléculas em seus movimentos e interações internas ao sistema.

Segunda lei da termodinâmica

Também chamada de segundo princípio da termodinâmica, afirma que “a tendência é do calor passar de um corpo mais quente para um mais frio, e nunca ao contrário, a menos que exteriormente comandado”. Isso significa que essa lei nega que existe um fenômeno espontâneo de transformação de energia térmica em energia cinética, a qual possibilitaria converter a energia do meio aquecido para a execução de um movimento.

Podemos ter o seguinte exemplo: mover um barco com a energia que resulta da conversão da água em gelo. Dessa forma, num sistema fechado, a entropia nunca diminui, ou seja, se o sistema está em um estado de baixa entropia (organizado), em princípio, tende a de modo espontâneo, a ir para um estado de entropia máxima (desordem).

Como exemplo podemos pegar dois blocos de metal com temperaturas variadas que são colocados em contato térmico. A desigual distribuição de temperatura rapidamente dá lugar a um estado de temperatura uniforme à medida que a energia flui do bloco mais quente para o mais frio. Ao atingir esse estado, o sistema está em equilíbrio.

Por entropia, compreende-se a desordem interna do sistema, que é definida por meio de processos estatísticos associados às chances que as partículas têm, em certas circunstâncias, de formarem um sistema num dado estado. Assim, por exemplo, as moléculas e átomos que compõem 1 kg de gelo, a 0 graus e 1 atm possuem atributos individuais distintas, mas do ponto de vista estatístico apresentam, no conjunto, características que definem a possibilidade da existência da pedra de gelo nesse estado.

Terceira lei da termodinâmica

A terceira lei afirma que a entropia de um cristal perfeito se aproxima de zero à medida que a temperatura (em escala absoluta) também se aproxima de zero. Essa lei fornece um ponto de referência absoluto para a determinação de entropia. A entropia, a partir deste ponto, é entropia absoluta.

Matematicamente, a entropia absoluta de um sistema qualquer em seu zero absoluto é o logaritmo natural do número de estados fundamentais vezes a constante de boltzmann kB. A entropia de uma rede perfeita de cristais, como definido pelo teorema de Nernst, é zero se, e somente se, o seu estado fundamental é único, porque ln(1)=0.

Em outras palavras, a terceira lei da termodinâmica, que foi desenvolvida por Walther Nernst entre 1906 e 1912, afirma que, quando um sistema se aproxima da temperatura do zero absoluto, todos os processos param, e a entropia tem um valor mínimo.