TERMODINÂMICA

Termodinâmica (do grego θερμη, therme, que significa " calor "e δυναμις, dunamis,que significa " poder ") é um ramo da física e é amplamente utilizado em química .Termodinâmica estuda os efeitos das mudanças na temperatura , pressão e volume de em sistemas físicos na escala macroscópica, analisando o movimento coletivo de suas partículas usando estatísticas . 

Grosso modo, calor significa "energia em trânsito" e refere-se a dinâmica de "movimento"; Assim, em termodinâmica essência estuda o movimento da energia e como a energia instila movimento. Historicamente, a termodinâmica se desenvolveu a partir da necessidade de aumentar a eficiência das primeiras máquinas a vapor .

Típico sistema termodinâmico , que mostra a entrada de uma fonte de calor (caldeira) à esquerda e à saída de um dissipador de calor (condensador) do lado direito. O trabalho é extraída, neste caso, por uma série de pistões.

O ponto de partida para a maioria das considerações termodinâmicas são as leis da termodinâmica, que postulam que a energia podem ser trocados entre sistemas físicos como calor ou trabalho . Eles também postulam a existência de uma quantidade chamadaentropia , que pode ser definida para qualquer sistema. Em termodinâmica, as interações entre grandes conjuntos de objetos são estudadas e categorizadas. 

Central para isso são os conceitos de sistema e entorno . Um sistema é constituído por partículas, cujos movimentos média definir as suas propriedades, as quais por sua vez estão ligados um ao outro através de equações de estado. As propriedades podem ser combinadas para expressar energia interna e potenciais termodinâmicos, que são úteis para determinar as condições de equilíbrio e processos espontâneos.

Com essas ferramentas, termodinâmica descreve como sistemas de responder às mudanças em seus arredores. Isto pode ser aplicado a uma grande variedade de tópicos em ciência e engenharia , tais como motores, transições de fase, reações químicas , fenômenos de transporte, e até mesmo os buracos negros . Os resultados da termodinâmica são essenciais para outros campos da física e de química , engenharia química, engenharia aeroespacial, engenharia mecânica , biologia celular, engenharia biomédica, ciência dos materiais e economia para citar alguns.

História

Sadi Carnot (1796-1832): o pai da termodinâmica

A história da termodinâmica como uma disciplina científica em geral começa com Otto von Guericke, que em 1650, projetou e construiu o primeiro do mundo a bomba de vácuo e criou primeiro do mundo a vácuo (conhecido como os hemisférios de Magdeburgo). Guericke foi levado a fazer um vácuo, a fim de refutar Aristóteles'suposição de longa data s que "a natureza abomina o vácuo". 

Pouco depois Guericke, o físico e químico irlandês Robert Boyle tinha aprendido dos projetos de Guericke e em 1656, em coordenação com o cientista Inglês Robert Hooke, construiu uma bomba de ar. Usando esta bomba, Boyle e Hooke notou uma correlação entre a pressão, temperatura e volume. Com o tempo, a Lei de Boyle foi formulada, que afirma que a pressão eo volume são inversamente proporcionais. 

Então, em 1679, com base nesses conceitos, um associado de Boyle chamado Denis Papin construiu umdigestor óssea, o que era um recipiente fechado com uma tampa hermética que limita vapor até a alta pressão foi gerado.

Projetos posteriores implementou uma válvula de liberação de vapor que manteve a máquina de explodir. Ao assistir a válvula ritmicamente mover para cima e para baixo, Papin concebeu a idéia de um pistão e um motor de cilindro. Ele não fez, no entanto, acompanhar, através de seu design. No entanto, em 1697, com base em modelos de Papin, engenheiro Thomas Savery construiu o primeiro motor. Embora estes motores mais antigos eram grosseiros e ineficiente, que atraiu a atenção dos principais cientistas da época. 

Um desses cientistas foi Sadi Carnot, o "pai da termodinâmica", que em 1824 publicou Reflexões sobre a Força Motriz do Fogo , um discurso sobre o calor, potência e eficiência do motor. O jornal descreveu as relações energéticas básicas entre o motor de Carnot, o ciclo de Carnot, e força motriz. Isto marca o início da termodinâmica como uma ciência moderna.

O termo termodinâmica foi inventado por James Joule, em 1858, para designar a ciência das relações entrecalor e energia. Por 1849, "termodinâmica", como um termo funcional, foi utilizado no papel de William Thomson um relato da Teoria da Motive poder do calor de Carnot. O primeiro livro termodinâmico foi escrito em 1859 por William Rankine, originalmente treinada como um físico e um professor de engenharia civil e mecânica na Universidade de Glasgow.

As leis da termodinâmica

Em termodinâmica, existem quatro leis de validade muito geral, e como tal, eles não dependem os detalhes das interações ou os sistemas que estão sendo estudados. Assim, eles podem ser aplicados a sistemas sobre os quais se sabe nada mais do que o saldo de energia e matéria de transferência. Exemplos disso incluem Einstein previsão de 's emissão espontânea por volta da virada do século 20 e investigações em curso sobre a termodinâmica dos buracos negros .

As quatro leis são:

• Lei Zero da termodinâmica, afirmando que o equilíbrio termodinâmico é uma relação de equivalência .

Se dois sistemas termodinâmicos são separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro, eles também estão em equilíbrio térmico com o outro.

• Primeira Lei da Termodinâmica , sobre a conservação de energia

A alteração na energia interna de um fechado sistema termodinâmico é igual à soma da quantidade decalor a energia fornecida para o sistema e o trabalho feito no sistema.

• Segunda lei da termodinâmica , a cerca de entropia

A entropia total de qualquer sistema termodinâmico isolado tende a aumentar ao longo do tempo, se aproxima de um valor máximo.

• Terceira Lei da Termodinâmica , a cerca de zero absoluto de temperatura

Como um sistema se aproxima assimptoticamente de zero absoluto de temperatura virtualmente todos os processos de cessar e a entropia do sistema aproxima-se assintoticamente de um valor mínimo;também afirmou que: "a entropia de todos os sistemas e de todos os estados de um sistema é zero a zero absoluto" ou equivalente "é impossível para chegar ao zero absoluto de temperatura por qualquer número finito de processos".

• Onsager relações recíprocas (às vezes chamado de Quarta Lei da Termodinâmica )

Expresse a igualdade de certas relações entre os fluxos e as forças em sistemas termodinâmicos fora deequilíbrio, mas onde uma noção de equilíbrio local existe.

Veja também: Bose-Einstein e temperatura negativa.

 

Potenciais termodinâmicos

Como pode ser derivado da equação de equilíbrio de energia (ou equação Burks ') sobre um sistema termodinâmico existem quantidades energéticos chamados potenciais termodinâmicos, sendo a medida quantitativa da energia armazenada no sistema. Os cinco potenciais mais conhecidos são:

A energia interna
Energia livre de Helmholtz
Entalpia
Gibbs energia livre
Grande potencial

Outros potenciais termodinâmicos podem ser obtidas através transformação de Legendre. Potenciais são usadas para medir as mudanças de energia em sistemas à medida que evoluem a partir de um estado inicial para um estado final. The Used potencial depende das restrições do sistema, tais como temperatura ou pressão constante. 

A energia interna é a energia interna do sistema, a entalpia é a energia interna do sistema junto com a energia relacionada com o trabalho de pressão-volume, e de Helmholtz e energia de Gibbs são as energias disponíveis em um sistema para realizar trabalho útil quando a temperatura e volume ou A pressão ea temperatura são fixos, respectivamente.

Termodinâmica clássica

Termodinâmica clássica é a variação de 1800 início original da termodinâmica em causa com os estados termodinâmicos, e propriedades como a energia, trabalho e calor, e com as leis da termodinâmica, todos sem uma interpretação atômica. Na forma precursora, termodinâmica clássica deriva químico Robert Boyle 's 1662 postulado de que a pressão P de uma determinada quantidade de gás varia inversamente com o seu volume Va temperatura constante; isto é, em forma de equação: PV = k , uma constante. 

A partir daqui, uma aparência de um termo-ciência começou a se desenvolver com a construção das primeiras máquinas a vapor atmosférico sucesso na Inglaterra por Thomas Savery em 1697 e Thomas Newcomen em 1712. A primeira e segunda leis da termodinâmica surgiu simultaneamente na década de 1850, principalmente fora das obras de William Rankine, Rudolf Clausius, e William Thomson (Lord Kelvin).

Termodinâmica estatística

Com o desenvolvimento de teorias atômicas e moleculares no final de 1800 e início de 1900, termodinâmica foi dada uma interpretação molecular. Este campo é chamada termodinâmica estatística , o que pode ser pensado como uma ponte entre as propriedades macroscópicas e microscópicas de sistemas. Essencialmente, termodinâmica estatística é uma abordagem para a termodinâmica situadas sobre mecânica estatística , que incide sobre a derivação de resultados macroscópicos de primeiros princípios. 

Ele pode ser oposto ao seu antecessor histórico termodinâmica fenomenológicas , que dá descrições científicas de fenômenos com a evasão de detalhes microscópicos. A abordagem estatística é derivar todas as propriedades macroscópicas (temperatura, volume, pressão, energia, entropia, etc.) a partir das propriedades de mover partículas constituintes e das interações entre eles (incluindo fenômenos quânticos). Verificou-se ser muito bem sucedida e, portanto, é geralmente utilizado.

Termodinâmica química

Termodinâmica química é o estudo da inter-relação de calor com reações químicas ou com uma mudança física do estado dentro dos limites das leis da termodinâmica. Durante os anos 1873-1876 o físico matemático americano Josiah Willard Gibbs publicou uma série de três artigos, sendo o mais famoso Sobre o Equilíbrio de Substâncias heterogêneas , em que ele mostrou como processos termodinâmica podia ser analisados ​​graficamente, através do estudo da energia , entropia , de volume , temperatura e pressão do sistema termodinâmico, de tal maneira para determinar se um processo iria ocorrer espontaneamente. Durante o início do século 20, os químicos, como Gilbert N. Lewis, Merle Randall, e EA Guggenheim começou a aplicar os métodos matemáticos de Gibbs para a análise de processos químicos.

Os sistemas termodinâmicos

Um conceito importante em termodinâmica é o "sistema". Tudo no universo, exceto o sistema é conhecido como arredores. Um sistema é a região do universo de estudo. Um sistema é separado do restante do universo por um limite imaginário que pode ser ou não, mas que, por convenção delimita um volume finito. Os possíveis trocas de trabalho , calor , ou a matéria entre o sistema e os arredores têm lugar em todo este limite. Os limites são de quatro tipos: fixo, móvel, reais e imaginários.

Basicamente, o "limite" é simplesmente uma linha pontilhada imaginária traçada em torno de um volume de algo quando não vai ser uma mudança na energia interna de que algo . Qualquer coisa que passa através do limite que efetua uma mudança na energia interna doalgo precisa ser contabilizada na equação do balanço de energia. Esse algo pode ser a região volumétrico em torno de um único átomo de ressonância de energia, como Max Planck definida em 1900; ele pode ser um corpo de vapor ou ar em um motor a vapor , como Sadi Carnot definida em 1824; ele pode ser o corpo de umciclone tropical , como Kerry Emanuel teorizado em 1986 no campo da termodinâmica atmosféricas; também poderia ser apenas um nuclide (ou seja, um sistema de quarks ) como alguns estão teorizando atualmente emtermodinâmica quântica.

Para um motor, uma fronteira fixa significa que o êmbolo é bloqueado na sua posição; como tal, ocorre um processo de volume constante. Nesse mesmo motor, uma fronteira móvel permite que o pistão para entrar e sair. Para sistemas fechados, as fronteiras são reais, enquanto para o sistema aberto fronteiras são muitas vezes imaginário. Existem cinco classes de sistemas dominantes:

1. Sistemas Isolados - matéria e energia não podem cruzar a fronteira
2. Sistemas adiabáticos - o calor não deve ultrapassar o limite
3. Sistemas diatérmicos - calor podem cruzar fronteira
4. Sistemas fechados - a matéria não pode cruzar a fronteira
5. Sistemas Abertos - calor, trabalho e matéria pode cruzar a fronteira (muitas vezes chamado de umvolume de controle, neste caso)

Conforme o tempo passa em um sistema isolado, as diferenças internas no sistema tendem a nivelar e pressões e temperaturas tendem a equalizar, assim como diferenças de densidade. Um sistema no qual todos os processos de equalização foram praticamente a conclusão, é considerado num estado de equilíbrio termodinâmico.

Em equilíbrio termodinâmico, as propriedades de um sistema são, por definição, imutável no tempo. Sistemas em equilíbrio são muito mais simples e mais fácil de entender do que os sistemas que não estão em equilíbrio.Muitas vezes, quando se analisa um processo termodinâmico, pode ser assumido que cada estado intermediário no processo está em equilíbrio. Isso também irá simplificar consideravelmente a situação.Processos termodinâmicos que se desenvolvem tão lentamente a permitir que cada passo intermediário para ser um estado de equilíbrio são considerados processos reversíveis.

Parâmetros termodinâmicos

O conceito central da termodinâmica é a da energia , a capacidade de fazer o trabalho. Conforme estipulado pela primeira lei , a energia total do sistema e seus arredores é conservada. Pode ser transferida para um corpo de aquecimento, à compressão, ou adição de matéria, e extraiu-se a partir de um corpo ou por arrefecimento, expansão, ou extracção da matéria. Para efeito de comparação, na mecânica, os resultados de transferência de energia de uma força que faz com que o deslocamento, o produto dos dois sendo a quantidade de energia transferida.

De um modo semelhante, sistemas termodinâmicos pode ser pensada como a transferência de energia como o resultado de uma força generalizada, causando um deslocamento generalizado, com o produto dos dois sendo a quantidade de energia transferida. Estes pares de força-deslocamento termodinâmicas são conhecidos como variáveis ​​conjugadas. As variáveis ​​termodinâmicas conjugadas mais comuns são pressão-volume (parâmetros mecânicos), a temperatura-entropia (parâmetros térmicos) e número potencial de partículas químicas (parâmetros do material).

Instrumentos termodinâmicos

Existem dois tipos de instrumentos termodinâmicos, o medidor e o reservatório . Um medidor termodinâmico é qualquer dispositivo que mede qualquer parâmetro de um sistema termodinâmico. Em alguns casos, o parâmetro termodinâmico é efectivamente definida em termos de um instrumento de medição idealizada. Por exemplo, a lei zero indica que, se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, eles também estão em equilíbrio térmico com o outro. 

Este princípio, como observado por James Maxwell em 1872, afirma que é possível medir a temperatura. Um idealizada termômetro é uma amostra de um gás ideal a pressão constante. A partir da lei de gás ideal PV = nRT , o volume de uma tal amostra pode ser utilizado como um indicador de temperatura; desta forma que define temperatura. Embora a pressão é definida mecanicamente, um dispositivo de medição de pressão, chamado um barómetro pode também ser construído a partir de uma amostra de um gás ideal realizada a uma temperatura constante. 

Um calorímetro é um dispositivo que é usado para medir e definir a energia interna de um sistema.Um reservatório termodinâmico é um sistema que é tão grande que não alteram significativamente os seus parâmetros de estado quando posta em contacto com o sistema de teste. É usada para impor um valor particular de um parâmetro de estado sobre o sistema. Por exemplo, um reservatório de pressão é um sistema em que uma determinada pressão, o que obriga a que a pressão em qualquer sistema de ensaio que é ligado mecanicamente a. A atmosfera da Terra é frequentemente utilizado como um reservatório de pressão.

É importante que estes dois tipos de instrumentos são distintos. Um medidor de não executar sua tarefa com precisão se ele se comporta como um reservatório da variável de estado que está tentando medir. Se, por exemplo, um termómetro foram para actuar como um reservatório de temperatura que iria alterar a temperatura do sistema a ser medido, e a leitura seria incorrecto. Metros ideais não têm efeito sobre as variáveis ​​de estado do sistema que eles estão medindo.

Estados termodinâmicos

Quando um sistema está em equilíbrio sob um dado conjunto de condições, diz-se estar num determinadoestado . O estado do sistema pode ser descrito por um número de variáveis ​​intensivos e extensivos variáveis. As propriedades do sistema pode ser descrito por uma equação de estado que define a relação entre estas variáveis. Estado pode ser pensada como a descrição quantitativa instantânea de um sistema com um número definido de variáveis ​​mantida constante

Processos termodinâmicos

Um processo termodinâmico pode ser definida como a evolução energético de um sistema termodinâmico Procedendo de um estado inicial para um estado final. Tipicamente, cada processo termodinâmico é distinto de outros processos, em caracteres energético, de acordo com o que os parâmetros, como temperatura, pressão, ou de volume, etc., são mantidos fixos. 

Além disso, é útil para agrupar estes processos em pares, em que cada variável é mantida constante, um membro de um par conjugado. Os sete processos termodinâmicos mais comuns são mostrados abaixo:

1. Um processo isobárica ocorre a uma pressão constante.
2. Um processo isocórico, ou processo isométrica / isovolumétrico , ocorre a volume constante.
3. Um processo isotérmico ocorre a uma temperatura constante.
4. Um processo adiabático ocorre sem perda ou ganho de calor.
5. Um processo isentropic (processo adiabático reversível) ocorre a uma entropia constante.
6. Um processo isentálpica ocorre a uma entalpia constante.
7. Um processo de estado estacionário ocorre sem uma mudança na energia interna de um sistema.