Este recurso é ideal para que você conheça ou aprofunde seu conhecimento nos estudos
acerca das Leis da Termodinâmica.
TERMODINÂMICA
LEIS DA TERMODINÂMICA
Antes de explicar a segunda Lei da termodinâmica, vamos recapitular a 1ª Lei e a Lei zero
da termodinâmica.
A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Há cerca de duzentos anos, o calor era encarado como um fluido invisível denominado
calórico, que fluía como água de objetos quentes para objetos frios. O calórico parecia ser
conservado – ou seja, parecia fluir de um lugar para outro sem ser criado ou destruído. Essa ideia
foi a precursora da lei da conservação da energia. Pela metade do século 19 tornou-se claro que
o não é uma substância localizada no interior da matéria, tornou-se claro que o fluxo de calor não
era mais do que um mero fluxo de energia. A teoria do calórico para calor foi sendo
gradualmente. Hoje encaramos calor como energia sendo transferida de um lugar para o outro.
Calor é energia em trânsito.
Quando a lei da conservação da energia é estendida para incluir o calor, passamos a
chamar de primeira lei da termodinâmica. O enunciado de uma forma geral o seguinte:
Quando flui calor para um sistema ou para fora dele, o sistema ganha ou perde uma
quantidade de energia igual à quantidade de calor transferido.
Por sistema, queremos nos referir a um grupo bem definido de átomos, moléculas,
partículas ou corpos. O sistema pode ser pode ser o vapor quente dentro de uma máquina
térmica, ou pode ser a atmosfera inteira da Terra. Pode até mesmo ser o corpo de um ser vivo. O
ponto importante é que devemos é que devemos ser capazes de definir claramente o que está
contido no sistema e o que está fora dele. Se adicionarmos calor ao vapor de uma máquina a
vapor, à atmosfera da terra ou ao corpo de um ser vivo, estaremos adicionando energia ao
sistema. O sistema pode usar essa energia para aumentar a sua própria energia interna, ou para
realizar trabalho sobre sua vizinhança. De modo que se adicionarmos calor ao sistema, ocorrerá
uma de duas coisas: (1) um aumento da energia, se a energia permanece nele, ou (2) a
realização de trabalho pelo sistema sobre coisas que lhe são externas, caso a energia adicionada
deixe o sistema. Mais especificamente, a primeira lei estabelece que:
Calor adicionado ao sistema = aumento da energia interna + trabalho externo
realizado pelo sistema
A primeira lei é um princípio geral que não diz respeito ao funcionamento interno do próprio
sistema. Sejam quais forem os detalhes do comportamento molecular do sistema, o calor
adicionado fará aumentar a energia interna do sistema ou possibilitará que o sistema realize
trabalho externo (ou ambos).
Considere uma certa quantidade de energia fornecida a uma máquina a vapor, seja ela
uma usina ou um navio com propulsão nuclear. Essa quantidade será evidenciada por meio da
energia interna do vapor e do trabalho realizado. A soma do aumento da energia interna com o
trabalho realizado é igual à energia que entra. A primeira lei da termodinâmica é simplesmente a
versão “térmica” da lei da conservação da energia.
Adicionar calor a um sistema, de modo que ele possa realizar trabalho mecânico é apenas
uma das aplicações da primeira lei da termodinâmica. Se em vez de adicionar calor, nós
realizarmos trabalho sobre o sistema mecânico, a primeira lei nos diz o que esperar: um
crescimento da energia interna. Esfregue suas mãos uma na outra e certamente elas se tornarão
mais quentes. Ou encha um pneu de uma bicicleta com uma bomba manual, e a bomba terá se
aquecido. Por quê? Porque basicamente estamos realizando trabalho mecânico sobre o sistema
e elevando sua energia interna. Se o processo for realizado tão rapidamente, de modo que muito
pouco calor seja transferido para fora do sistema por condução, então a maior parte do trabalho
realizado sobre o sistema vai aumentar sua energia interna, e o sistema se tornará mais quente.
A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Suponha que você coloque um tijolo quente sobre um tijolo frio, no interior de uma região
termicamente isolada. Você sabe que o tijolo quente esfriará e cederá calor ao tijolo frio, o qual se
aquecerá. Eles acabarão atingindo uma temperatura comum: o equilíbrio térmico. Nenhuma
energia se perderá, de acordo com a primeira lei da termodinâmica. Mas imagine que o tijolo
quente extraísse calor do tijolo frio, tornando-se mais quente ainda. Isso violaria a primeira lei da
termodinâmica? Não, se o tijolo frio tornar-se correspondentemente mais frio, de maneira que a
energia combinada de ambos permaneça constante. Se isso acontecesse, não haveria violação
da primeira lei da termodinâmica.
Mas violaria a segunda lei da termodinâmica. Essa lei identifica o sentido da transformação
de energia em processos naturais. A segunda lei pode ser enunciada de muitas maneiras, mas a
mais simples de todas é esta:
O calor por si mesmo jamais flui de um objeto frio para um objeto quente.
No inverno, o calor flui do interior aquecido de uma casa para o exterior frio. No verão o
calor flui do ar quente no exterior da casa para seu interior mais frio. Pode-se fazer o calor fluir no
outro sentido, mas se apenas realizarmos trabalho sobre o sistema ou adicionarmos energia de
alguma outra fonte – como ocorre nas bombas térmicas e nos condicionadores de ar.
A enorme quantidade de energia interna do oceano não pode ser usada para alimentar
uma única lâmpada sem haver esforço externo. A energia por si mesma não fluirá do oceano a
uma temperatura mais baixa para o filamento da lâmpada a uma temperatura mais alta. Sem
esforço externo, o sentido do fluxo de calor é do quente para o frio.
A LEI ZERO DA TERMODINÂMICA
Existe também a lei (o nome se deve ao fato de que essa lei foi formulada após a primeira
e a segunda leis da termodinâmica) estabelecendo que dois sistemas que estão em equilíbrio
térmico com um terceiro sistema estão necessariamente em equilíbrio térmico entre si.
MÁQUINAS TÉRMICAS
As máquinas constituíram o ponto focal d revolução Industrial durante o final do século 19
e início do século 20. Sem esperanças de construir máquinas do tipo moto-perpétuo*, os
cientistas e industriais concentraram-se em aumentar o rendimento das máquinas reais e dos
motores que a fazem funcionar.
*Um moto-contínuo, ou máquina de movimento perpétuo são classes de máquinas
hipotéticas as quais reutilizariam indefinidamente a energia gerada por seu próprio
movimento. A existência de um dispositivo moto-contínuo é geralmente aceita como sendo
impossível, de acordo com o nosso atual conhecimento das leis da física.
Uma máquina térmica é qualquer dispositivo que converta energia interna em trabalho
mecânico. A Idea básica por trás de qualquer máquina térmica, seja ela uma máquina a vapor, a
combustão interna ou um motor a jato, é que trabalho mecânico pode ser obtido somente quando
o calor flui de uma temperatura alta para uma temperatura baixa. Em toda máquina térmica,
somente uma parte do calor é convertido é convertido em trabalho. Ao considerar as máquinas
térmicas, falamos em reservatórios. O calor sai de um reservatório de que se encontra alta para
uma temperatura baixa. Toda máquina térmica:
1 – recebe calor de uma temperatura alta, aumentando assim sua energia
interna;
2 – converte parte dessa energia em trabalho mecânico;
3 – rejeita a energia restante, como calor, para outro reservatório a uma temperatura baixa,
o qual chamaremos de escoadouro (ver figura).
Temperatura alta
Temperatura baixa
A segunda lei nos garante que nenhuma máquina térmica pode converter todo o calor que lhe
é fornecido em energia mecânica. Apenas parte do calor pode ser transformada em trabalho, com
o restante sendo expelido durante o processo. Aplicada às máquinas térmicas, a segunda lei
pode ser enunciada como:
Quando trabalho é realizado por uma máquina térmica que opera entre duas
temperaturas Tquente e Tfria, somente uma parte do calor que ingressa na máquina a
Tquente pode ser convertida em trabalho, e o restante é rejeitado a Tfrio.
Toda máquina térmica rejeita algum calor, o que pode ser desejável ou indesejável. O ar
quente expelido em uma lavanderia automática é inteiramente desejável em um dia frio de
inverno, enquanto será inteiramente indesejável em um dia quente de verão. Quando o calor é
indesejável, nós o chamamos de poluição térmica.
Antes dos cientistas compreenderem a segunda lei, muitas pessoas achavam que uma
máquina térmica que envolvesse em sua operação muito pouco atrito poderia converter quase
toda sua energia térmica em trabalho útil. Mas isso não é verdade. Em 1824, o engenheiro
francês Nicolau Léonard Sadi Carnot (1796 – 1832) analisou o funcionamento de uma máquina
térmica e fez uma descoberta fundamental. Ele mostrou que a máxima fração de energia
fornecida que pode ser convertida em trabalho útil, mesmo sob condições ideais, depende da
diferença de temperatura entre o reservatório quente e o escoadouro frio. Sua equação é:
 1
Tf
Tq
Em que η é o rendimento ideal, Tq é a temperatura do reservatório quente e Tf a do escoadouro
frio. O rendimento ideal depende apenas da temperatura entre a entrada e saída. Sempre que
estão envolvidas temperaturas, a escala absoluta de temperatura deve ser utilizada de modo que
Tq e Tf devem ser expressos em kelvins.
A equação de Carnot estabelece o limite superior de eficiência para todas as máquinas
térmicas, seja ela um automóvel, um navio movido a energia nuclear ou um avião a jato. Na
prática, o atrito está sempre presente em todas as máquinas e o rendimento será sempre menor
que o ideal*. Apesar do atrito ser o principal responsável pela ineficiência de muitos dispositivos,
no caso das máquinas térmicas o conceito dominante é a segunda lei da termodinâmica: apenas
parte do calor pode ser convertido em trabalho – mesmo que não houvesse atrito nenhum.
* O rendimento ideal do motor de um automóvel a combustão interna é maior que 50%,
mas, na prática, o rendimento acaba sendo cerca de 25%. Motores que operassem a
temperatura mais elevadas (em comparação com a do reservatório frio) seriam mais
eficientes, mas o ponto de fusão dos materiais do motor impõe limites superiores de
temperatura em que eles podem operar. Rendimentos mais altos, portanto, aguardam por
motores feitos de materiais com pontos de fusão mais elevados. Fique de olho nos
motores de cerâmica.
A ORDEM TENDE PARA A DESORDEM
A primeira lei da termodinâmica estabelece que a energia não pode ser criada nem
destruída. Ela refere-se à quantidade de energia. A segunda lei qualifica isso, acrescentando
que a forma que a energia assume nas diversas transformações de que participa acaba se
“deteriorando” em formas menos úteis de energia. Ela refere-se à qualidade da energia, quando
a energia torna-se mais difusa e finalmente acaba degenerando em dissipação. Outra forma de
dizer isso é dizer que a energia
“organizada” (concentrada e, portanto, energia de alta utilidade ou qualidade) acaba degenerando
em energia “desorganizada” (com baixa utilidade ou qualidade). A gasolina, onde a energia
organizada se degrada quando queima dentro do motor de um carro. Energia útil degenera em
formas não úteis, e é incapaz de realizar trabalho novamente. O calor, esparso no meio ambiente
como energia térmica, é um túmulo para a energia útil.
A perda de qualidade da energia ocorre a cada transformação que ela sofre, quando a energia de
uma forma organizada tende para formas desorganizadas. Com essa perspectiva mais ampla, a
segunda lei pode ser enunciada de uma outra maneira:
Em processos naturais, a energia de alta qualidade tende a transforma-se em
energia de qualidade mais baixa – a ordem tende para a desordem.
ENTROPIA E AS LEIS DA TERMODINÂMICA
A idéia de um rebaixamento de energia na “qualidade” da energia está embutida na idéia de
entropia, uma medida da quantidade de desordem em um sistema. A segunda lei estabelece que
a entropia, afinal de contas, sempre aumenta. As moléculas de um gás que escapam de um vidro
de perfume movem-se de um estado relativamente ordenado para um estado desordenado. A
desordem aumenta; a entropia cresce. Sempre que um sistema pode distribuir livremente sua
energia, ele sempre o faz de modo que a entropia cresce, enquanto diminui a energia do sistema
que permanece disponível para a realização de trabalho.
As leis da termodinâmica frequentemente são expressas dessa maneira: você não pode
ganhar o jogo (pois não pode retirar do sistema mais energia do que foi posta nele), não pode
empatar (pois não pode conseguir tanta energia útil do sistema quanto a que lhe é fornecida), e
não pode sair do jogo ( a entropia do universo está sempre aumentando).
Referências Bibliográficas
Física Conceitual, Paul G. Hewitt,- 11ed.- Porto Alegre: Bookman, 2002
Física Conceitual, Paul G. Hewitt,- 11ed.- Porto Alegre: Bookman, 2011
Próprio autor