Aprenda tudo sobre termodinâmica, a ciência que explora a relação entre calor e energia em outras formas

Engenheiro inspecionando lâminas de turbinas a vapor. Crédito da imagem: Monty Rakusen via Getty Images

A termodinâmica é o ramo da física que trata das relações entre o calor e outras formas de energia. Em particular, descreve como a energia térmica é convertida de e para outras formas de energia e como a energia térmica afeta a matéria. 

A energia térmica é a energia que uma substância ou sistema possui devido à sua temperatura, em outras palavras, a energia de moléculas em movimento ou vibração, de acordo com a Universidade de Kentucky. A termodinâmica envolve medir essa energia, que pode ser “extremamente complicada”, disse David McKee, professor de física da Missouri Southern State University. "Os sistemas que estudamos em termodinâmica... consistem em um número muito grande de átomos ou moléculas interagindo de maneiras complicadas. Mas, se esses sistemas atendem aos critérios certos, que chamamos de equilíbrio, eles podem ser descritos com um número muito pequeno de medidas ou números. Muitas vezes isso é idealizado como a massa do sistema, a pressão do sistema e o volume do sistema, ou algum outro conjunto equivalente de números". 

CALOR

A termodinâmica, então, está preocupada com várias propriedades da matéria; a principal delas é o calor. Calor é a energia transferida entre substâncias ou sistemas devido a uma diferença de temperatura entre elas, de acordo com a Georgia State University. Como forma de energia, o calor é conservado, não pode ser criado ou destruído. Pode, no entanto, ser transferido de um lugar para outro. O calor também pode ser convertido de e para outras formas de energia. Por exemplo, uma turbina a vapor pode converter calor em energia cinética para acionar um gerador que converte energia cinética em energia elétrica. Uma lâmpada pode converter essa energia elétrica em radiação eletromagnética (luz), que, quando absorvida por uma superfície, é convertida novamente em calor. Ao longo deste processo, uma parte da energia é perdida para entropia.

TEMPERATURA

Comparação dos pontos de congelamento e fusão da água (em graus Celsius). Crédito da imagem: Why Design via Shutterstock

A quantidade de calor transferida por uma substância depende da velocidade e do número de átomos ou moléculas dessa substância em movimento, de acordo com a Georgia State University. Quanto mais rápido os átomos ou moléculas se movem, maior a temperatura, e quanto mais átomos ou moléculas estão em movimento, maior a quantidade de calor que eles transferem.

A temperatura é "uma medida da energia cinética média das partículas em uma amostra de matéria, expressa em termos de unidades ou graus designados em uma escala padrão", de acordo com o American Heritage Dictionary. A escala de temperatura mais utilizada é o Celsius, que se baseia nos pontos de congelamento e ebulição da água, atribuindo valores respectivos de 0 C e 100 C. A escala Fahrenheit também se baseia nos pontos de congelamento e ebulição da água, que têm valores atribuídos de 32 graus Fahrenheit e 212 F, respectivamente.

Cientistas de todo o mundo, no entanto, usam a escala Kelvin (K sem sinal de grau), em homenagem a William Thomson, 1º Barão Kelvin, porque se baseia na energia térmica total, em vez dos pontos de congelamento e ebulição da água, de acordo com a Biblioteca Nacional da Escócia. Essa escala usa os mesmos incrementos que a escala Celsius; por exemplo, uma mudança de temperatura de 1 C é igual a 1 K. No entanto, a escala Kelvin começa no zero absoluto, a temperatura na qual há uma total ausência de energia térmica e todo movimento molecular para. Uma temperatura de 0 K é igual a menos 459,67 F ou menos 273,15 C.

CALOR ESPECÍFICO

A quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de uma certa massa de uma substância em uma certa quantidade é chamada de calor específico, ou capacidade de calor específico, de acordo com a Wolfram Research. A unidade convencional para isso é calorias por grama por Kelvin. A caloria é definida como a quantidade de energia térmica necessária para elevar a temperatura de 1 grama de água a 4 C em 1 grau. 

O calor específico de um metal depende quase inteiramente do número de átomos na amostra e da forma como eles se ligam, não da massa da amostra. Por exemplo, um quilograma de alumínio pode absorver cerca de sete vezes mais calor do que um quilograma de chumbo. Uma determinada massa de água, no entanto, pode absorver quase cinco vezes mais calor do que uma massa igual de alumínio, graças às fortes forças que ligam as moléculas de água, de acordo com a Southeastern Louisiana University.

CONDUTIVIDADE TÉRMICA

Uma unidade de processamento central (CPU) é uma parte essencial dos componentes de hardware de um computador. Crédito da imagem: Narumon Bowonkitwanchai via Getty Images

A condutividade térmica (k) é "a taxa na qual o calor passa através de uma certa seção transversal de um material especificado", de acordo com os "Termosfixos" de Debdatta Ratna (Woodhead Publishing limitada, 2012). A unidade para k é watts (W) por metro (m) por Kelvin (K), de acordo com Swarthmore College. Os valores de k para metais como cobre e prata são relativamente altos em 380 e 420 W/m·K, respectivamente. Essa propriedade torna esses materiais úteis para radiadores de automóveis e aletas de resfriamento para chips de computador porque podem transportar calor rapidamente e trocá-lo com o meio ambiente. O valor mais alto de k para qualquer substância natural é o diamante em 2.200 W/m·K, de acordo com um estudo de 2009 publicado na revista Materials.

Outros materiais são úteis porque são condutores de calor extremamente fracos; esta propriedade é referida como resistência térmica, ou valor R, que descreve a taxa na qual o calor é transmitido através do material. Esses materiais, como fibra de vidro, penugem de ganso e isopor, são usados para isolamento em paredes externas de edifícios, casacos de inverno e canecas térmicas de café. O valor R é dado em unidades de pés quadrados vezes graus Fahrenheit vezes horas por unidade térmica britânica (ft2·°F·h/Btu), de acordo com OpenStax, um livro-texto de código aberto.

LEI DE RESFRIAMENTO DE NEWTON

Em 1701, Sir Isaac Newton declarou pela primeira vez sua Lei do Resfriamento em um pequeno artigo intitulado "Scala graduum Caloris" ("Uma escala dos graus de calor") nas Philosophical Transactions of the Royal Society. A declaração da lei de Newton traduz do latim original como "o excesso dos graus do calor... estavam em progressão geométrica quando os tempos estão em progressão aritmética". Instituto Politécnico de Worcester dá uma versão mais moderna desta lei científica como "a taxa de mudança de temperatura é proporcional à diferença entre a temperatura do objeto e do ambiente circundante". 

Isso resulta em um decaimento exponencial na diferença de temperatura. Por exemplo, se um objeto quente for colocado em um banho frio, dentro de um certo período de tempo, a diferença entre as duas temperaturas diminuirá pela metade. Então, nesse mesmo período de tempo, a diferença restante diminuirá novamente pela metade. Essa redução pela metade repetida da diferença de temperatura continuará em intervalos de tempo iguais até que se torne pequena demais para ser medida. Nesse ponto, o sistema está em equilíbrio térmico.

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Diagrama mostrando como funciona a transferência de calor. Crédito da imagem: blueringmedia via Getty Images

O calor pode ser transferido de um corpo para outro ou entre um corpo e o ambiente por três meios diferentes: condução, convecção e radiação. A condução é a transferência de energia através de um material sólido. A condução entre os corpos ocorre quando eles estão em contato direto, e as moléculas transferem sua energia através da interface. 

A convecção é a transferência de calor de ou para um meio fluido. Moléculas em um gás ou líquido em contato com um corpo sólido transmitem ou absorvem calor para ou daquele corpo e então se afastam, permitindo que outras moléculas do fluido se movam para o lugar e repitam o processo.

A radiação é a emissão de energia via radiação eletromagnética (EM), particularmente fótons infravermelhos que transportam energia térmica. Toda a matéria emite e absorve alguma radiação EM, cuja quantidade líquida determina se isso causa perda ou ganho de calor, de acordo com a Northwestern University.

O CICLO DE CARNOT

Em 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot propôs um modelo para um motor térmico baseado no que veio a ser conhecido como o ciclo de Carnot, de acordo com a Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos. O ciclo explora as relações entre pressão, volume e temperatura dos gases, bem como uma entrada de energia pode mudar de forma e realizar trabalho fora do sistema.

O primeiro passo no ciclo de Carnot é a expansão isotérmica, onde um gás em um cilindro sob pressão de um pistão é mantido a uma temperatura constante, mas uma fonte de calor é colocada em contato com o cilindro. Para manter a mesma temperatura, o gás deve se expandir. Em seguida, a expansão adiabática, ou expansão sem transferência de calor para o ambiente circundante, remove o peso do pistão para permitir que o gás se expanda ainda mais, o que o ajuda a empurrar um cilindro para realizar trabalho. Em seguida, o gás é resfriado a uma temperatura constante e comprimido adicionando peso ao pistão para aumentar a pressão no gás, ponto em que o calor é transferido do gás de volta para a fonte de calor. E, finalmente, a compressão adiabática adiciona mais peso ao pistão para aumentar ainda mais a pressão do gás e, portanto, aumentar sua temperatura. Em seguida, o ciclo se repete, de acordo com NASA. Este é o princípio básico por trás das bombas de calor usadas para aquecimento, ar condicionado e refrigeração, de acordo com a Georgia State University.

ENTROPIA

Todos os sistemas termodinâmicos geram calor residual. Esse desperdício resulta em um aumento na entropia, que é uma medida da desordem de um sistema. Como o trabalho vem do movimento molecular ordenado, a entropia é uma medida da energia que não está disponível para realizar o trabalho, de acordo com a Britannica. A entropia em qualquer sistema fechado sempre aumenta; nunca diminui. Além disso, as peças móveis produzem calor residual devido ao atrito, e o calor radiativo inevitavelmente vaza do sistema. 

Isso impossibilita as chamadas máquinas de movimento perpétuo. Disse Siabal Mitra, professor de física da Missouri State University: "Você não pode construir um motor que seja 100% eficiente, o que significa que você não pode construir uma máquina de movimento perpétuo. No entanto, há um monte de gente por aí que ainda não acredita, e há pessoas que ainda estão tentando construir máquinas de movimento perpétuo".

A entropia também é definida como "uma medida da desordem ou aleatoriedade em um sistema fechado", que também aumenta inexoravelmente. Você pode misturar água quente e fria, mas como uma xícara grande de água morna é mais desordenada do que duas xícaras menores contendo água quente e fria, você nunca pode separá-la novamente em quente e fria sem adicionar energia ao sistema. Dito de outra forma, você não pode reordenar um ovo a sua forma inicial ou remover o creme do seu café. A entropia, portanto, nos fornece uma seta do tempo: Para a frente é a direção do aumento da entropia.

AS QUATRO LEIS DA TERMODINÂMICA

Os princípios fundamentais da termodinâmica foram originalmente expressos em três leis. Mais tarde, os cientistas descobriram que uma lei mais fundamental havia sido negligenciada, aparentemente porque parecia tão óbvia que não precisava ser declarada explicitamente. Para formar um conjunto completo de regras, os cientistas decidiram que essa lei fundamental precisava ser incluída. O problema, porém, era que as três primeiras leis já haviam sido estabelecidas e eram bem conhecidas por seus números atribuídos. Diante da perspectiva de renumerar as leis existentes, o que causaria uma confusão considerável, ou colocar a lei preeminente no final da lista, o que não faria sentido lógico, o físico britânico Ralph H. Fowler apresentou uma alternativa que resolveu o dilema: Ele chamou a nova lei de "Lei Zero", de acordo com Colégio Santo Anselmo. Aqui estão todas as quatro leis em resumo: 

A Lei Zero da Termodinâmica afirma que se dois corpos estão em equilíbrio térmico com algum terceiro corpo, então eles também estão em equilíbrio um com o outro. Isso estabelece a temperatura como uma propriedade fundamental e mensurável da matéria. 

A Primeira Lei da Termodinâmica afirma que o aumento total da energia de um sistema é igual ao aumento da energia térmica mais o trabalho realizado sobre o sistema. Isso afirma que o calor é uma forma de energia e, portanto, está sujeito ao princípio da conservação - ou seja, não pode ser criado nem destruído.

A Segunda Lei da Termodinâmica afirma que a energia térmica não pode ser transferida de um corpo a uma temperatura mais baixa para um corpo a uma temperatura mais alta sem a adição de energia. É por isso que custa dinheiro para executar um ar condicionado.

A Terceira Lei da Termodinâmica afirma que a entropia de um cristal perfeito, isto é, uma substância composta de átomos dispostos em um padrão perfeitamente ordenado e simétrico, no zero absoluto é zero. Como explicado acima, a entropia às vezes é chamada de "energia desperdiçada", ou a energia que é incapaz de realizar trabalho; e como não há energia térmica no zero absoluto, não pode haver desperdício de energia. A entropia também é uma medida da desordem em um sistema e, embora um cristal perfeito seja, por definição, perfeitamente ordenado, qualquer valor positivo de temperatura significa que há movimento dentro do cristal, o que causa desordem. Por essas razões, não pode haver sistema físico com entropia mais baixa, então a entropia sempre tem um valor positivo.

A ciência da termodinâmica foi desenvolvida ao longo dos séculos e seus princípios se aplicam a quase todos os dispositivos já inventados. Sua importância na tecnologia moderna não pode ser exposta exageradamente.

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RECURSOS ADICIONAIS

• O campo da termodinâmica tem uma longa história, e este vídeo do CrashCourse proporciona um passeio pelos seus momentos e figuras mais notáveis.
• Quer ver a termodinâmica em ação? Este recurso da West Virginia University links para vários exemplos de vídeo fascinantes. Só porque a termodinâmica é fundamental para a ciência não significa que ela não tenha seus problemas. 
• Este artigo no Physics Today explora por que tem sido chamado de "bruxa da aldeia" da física.

BIBLIOGRAFIA

• Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Kentucky, "Temperature And Heat — Thermal Energy," https://www.pa.uky.edu/~straley/THE/heat/then4.htm 
• Carl Nave, "Heat," Hyperphysics, Georgia State University, 2017. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heat.html 
• Carl Nave, "A More General View of Temperature," Hyperphysics, Georgia State University, 2017. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/temper2.html 
• American Heritage Dictionary, "Temperatura". 2022. https://www.ahdictionary.com/word/search.html?q=temperature 
• Scottish Science Hall of Fame, "Lord Kelvin (1824-1907)." 2009. https://digital.nls.uk/scientists/biographies/lord-kelvin/ 
• Wolfram Research, "Calor Específico". 2007. https://scienceworld.wolfram.com/physics/SpecificHeat.html 
• Southeastern Louisiana University, "Termodinâmica Parte 1: Trabalho, Calor, Energia Interna e Entalpia". 2000. https://www2.southeastern.edu/Academics/Faculty/wparkinson/help/thermochemistry/ 
• Debdatta Ratna, "3 - Propriedades térmicas de termofixos," Termofixos: Estrutura, Propriedades e Aplicações, 2012. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780857090867500031
• Erik Cheever, "Elements of Thermal Systems", Swarthmore College, 2021. https://lpsa.swarthmore.edu/Systems/Thermal/SysThermalElem.html 
• Sergey V. Kidalov e Fedor M. Shakhov, "Thermal Conductivity of Diamond Composites," Materials (Basileia), dezembro de 2009. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5513588/ 
• Paul Peter Urone e Robert Hinrichs, "College Physics". OpenStax, 22 de agosto de 2016 https://pressbooks.online.ucf.edu/algphysics/chapter/conduction/ 
• Isaac Newton, "VII. Scala graduum caloris," Philosophical Transactions of the Royal Society, 1701. 
• Instituto Politécnico de Worcester, "Lei de Resfriamento de Newton", 1996. http://www.math.wpi.edu/Course_Materials/MA1022A96/lab2/node5.html
• Northwestern University, "Como o calor se move?" https://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/thermal/1-how-does-heat-move.html
• Carl Nave, "Carnot Cycle," Hyperphysics, Georgia State University, 2017. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/carnot.html
• NASA, "Ciclo de Carnot", 2021. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/carnot.html 
• Carl Nave, "Bomba de calor," Hiperfísica, Georgia State University, 2017. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatpump.html
• American Heritage Dictionary, "Entropy", 2022. https://www.ahdictionary.com/word/search.html?q=entropy 
• Ian T. Durham, "Ralph Fowler," St. Anselm College. 2001. https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Fowler/

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Referência:

LUCAS, Jim; HAMER, Ashley. What is thermodynamics? Live Science, Nova York, 02, fev. 2022. References. Disponível em: <https://www.livescience.com/50776-thermodynamics.html>. Acesso em: 04, jun. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.