Termodinâmica é uma disciplina fundamental em nosso cotidiano. Muitas vezes, inconscientemente, fazemos uso das chamadas “leis da termodinâmica” nas nossas tarefas diárias. Quando sentimos que um café está quente e deixamos ele esfriar ao ar livre, estamos aplicando as leis da termodinâmica na prática.
Para os engenheiros, físicos, químicos e outros profissionais que trabalham em plantas industriais, a termodinâmica é crucial para o desenvolvimento de processos que envolvem transferência de energia. De início, é preciso compreender que a termodinâmica é um ramo da física.
A física clássica é, geralmente, dividida, de forma resumida, em três ramos principais:
- Mecânica;
- Termodinâmica;
- Eletricidade e eletromagnetismo.
Origem do nome
O nome termodinâmica vem do grego therme que significa calor e dynamis que significa movimento. Por isso, a termodinâmica é denominada, de forma simplificada, como a ciência do calor e trabalho, ou seja; ela visa explicar os mecanismos de transferência de energia para que estes realizem algum tipo de trabalho.
Criação da termodinâmica
A criação da termodinâmica é atribuída ao alemão Otto von Quericke, em 1650, que foi o responsável pela criação da primeira bomba de vácuo do mundo e, também, é o inventor do motor de combustão interna de ignição por centelha.
Sadi Carnot é denominado como “pai da termodinâmica” como ciência moderna. Carnot é o criador do primeiro modelo teórico de sucesso sobre máquinas térmicas, que ficou conhecido como ciclo de Carnot. Os fundamentos da 2ª lei da termodinâmica são atribuídos a Carnot. Baseados nos trabalhos de James Prescott Joule e Julius von Mayer, Rudolf Clausius e William Thomsom (Lorde Kelvin) desenvolveram, em 1850, a Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica.
O desenvolvimento das leis da termodinâmica teve grande impacto durante a revolução industrial; quando o trabalho realizado por força animal passou a ser substituído por máquinas. Para entender as leis da termodinâmica, precisamos entender alguns conceitos básicos como: sistema, calor, energia e trabalho.
Sistema físico
Para aplicar as leis da termodinâmica precisa-se definir o objeto de estudo que é, geralmente, denominado de sistema. Um sistema físico pode ser considerado como sendo constituído de um sistema material (subsistema 1) mais um campo de radiação (subsistema 2). O sistema material, geralmente, considerado como meio contínuo, é composto a nível elementar de moléculas (incluindo íons e átomos), de elétrons e de partículas fictícias tais como fônons (quanta de energia vibracional num sólido), etc.
Um meio pode ser considerado como contínuo quando o menor elemento de volume ainda contém de 1015 a 1020 moléculas. Sob determinadas condições físicas, tais elementos podem ser caracterizados estatisticamente por propriedades físicas macroscópicas médias sobre todas as moléculas que eles contêm (massa média, velocidade, pressão ou temperatura).
O campo de radiação eletromagnética é caracterizado em escala macroscópica pela definição em cada ponto \( \vec r \) do espaço e para cada direção \( \Delta \) de uma quantidade \( I’_{v} \) , a intensidade monocromática relacionada com a frequência \( v \) . O campo de radiação resulta da distribuição de fótons (quanta de energia particular de Bose-Einstein que em repouso possuem massa nula) cada caracterizado pela frequência \( v \) , momentum \( \vec p \) e spin \( s \). Um quanta tem energia \( e=hv \) , onde \( h=6,6256×10^{-34} Js \) é a constante de Planck.
Calor
É uma forma de transferência de energia entre um sistema e o meio externo, quando há uma diferença de temperatura entre eles. Calor é, portanto, a transferência de energia através da fronteira do sistema, devido a um desequilíbrio térmico (diferença de temperatura) entre o sistema o meio externo a ele.
Energia
Energia pode ser entendida de forma simples como a capacidade de um sistema realizar trabalho, que pode ser associado ao conceito de movimento (mecânica).
A Civilização Moderna depende fortemente de como ela manuseia e usa sua energia, energia esta suprida através de recursos naturais, nem sempre fáceis de serem explorados.
O uso de energia pode ser identificado como trabalho, potência e calor, mas na realidade o trabalho e potência que são usados finalmente degeneram em calor.
Trabalho
Do ponto de vista termodinâmico, trabalho pode ser entendido quando se aplica uma força para levantamento ou abaixamento de um peso. Se num processo, a transferência de energia pode ser convertida em algo equivalente ao levantamento ou abaixamento de um peso, dizemos que houve realização de trabalho.
Em se tratando de processos térmicos, na maioria das vezes, a transferência de energia na forma de trabalho envolve o movimento de fluidos. O movimento de fluidos é estudado pela disciplina conhecida como mecânica dos fluidos, a qual envolve conceitos importantes tais como cinemática, dinâmica, quantidade de movimento, e pressão entre outros.
Bibliografia
BEJAN, A., Transferência de Calor, Edgard Blücher, ISBN 8521200269, 1ª edição, 540 p.,1996.
Fox, R.W. & Donald, A.T., Introdução à Mecânica dos Fluídos, Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1998.
Huang, F. F. (1989) Engineering Thermodynamics, Fundamentals and Applications, Second Edition, Macmillan Publishing Company, New York, 956 p.
INCROPERA, F.P., Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, Editora: LTC, ISBN 8521613784, 5ª edição, 698 p., 2003.
Moran, M. J. & Shapiro, H. N. (1993) Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, 718 p.
ÖZISIK, M.N., Transferência de Calor: Um Texto Básico, Editora LTC, ISBN 852770160X, 1ª Edição, 662 p., 1990.
ROLLE, K.C. Heat and Mass Transfer, ISBN 0-13-919309-X, Prentice Hall, 547 p.,2000.
TAINE, J., PETIT, J.P. Heat Transfer, ISBN 0-13-387994-1, Prentice Hall, 584 p.,1993.
White, F.M., Fluid Mechanics, McGraw-Hill, 1999. pt.wikipedia.org . Acesso em 17/03/2021.
