Os princípios da Termodinâmica e a Revolução Industrial

Olá meus queridos, em nossa última conversa, ou melhor, em nossa primeira conversa, discutimos sobre o conceito de energia, o objetivo era prepará-los para o texto de hoje, onde percorreremos a história e discutiremos sobre os princípios da termodinâmica. Vamos lá?

Princípios da Termodinâmica

Para nos localizarmos no tempo-espaço, faremos uma viajem até o século XVIII, sabe-se que nesta época já havia boas universidades e academias nos grandes centros, poucos tinham acesso e mesmo assim a Física se desenvolvia, meio que de forma independente e por motivos práticos. A época da primeira Grande Revolução Industrial é marcante e divide em si a história da Física, pois é a partir deste momento que surge uma nova. A Física empirista se aproxima cada vez mais das necessidades da sociedade, agora os desenvolvimentos científicos vão de encontro, com os problemas do cotidiano, as áreas de pesquisa passam a se especializar, o exemplo mais claro de tudo isso é o estudo da forte relação entre as fontes de calor e o trabalho. Este estudo está baseado em dois princípios: o da conservação de energia e o de entropia.

Poderia o leitor me questionar, “Mas qual a importância de tudo isso?”, assim como um aluno questiona um professor, querendo saber qual o motivo de se estudar isto ou aquilo. A importância destes estudos entre calor e trabalho é que estes princípios são a base de máquinas a vapor, turbinas, motores de combustão interna, motores a jato e máquinas frigoríficas. A partir de uma máquina concebida para retirar a água que inundava as minas de carvão, o inglês Thomas Newcomen cria em 1698 a máquina a vapor, mais tarde aperfeiçoada pelo escocês James Watt. É em torno do desempenho dessas máquinas que o engenheiro francês Sadi Carnot estabelece uma das mais importantes sistematizações da termodinâmica, delimitando a transformação de energia térmica (calor) em energia mecânica (trabalho). Termodinâmica 1761: o inglês Joseph Black cria a calorimetria, o estudo quantitativo do calor. 1784: os franceses Antoine Lavoiser e Pierre Laplace inventam o calorímetro de gelo.

1ª Lei da Termodinâmica

A Primeira Lei da Termodinâmica estabelece que a energia se conserva quantitativamente; nada se ganha ou se perde nas transformações. Se o Universo for um sistema fechado ou finito, como Einstein e outros aceitam, então a quantidade total de energia e de massa equivalente a energia (E = m.c2) no Universo, será sempre constante. O conceito de densidade de energia pode ser aplicado a um Universo finito.

O Universo contém hoje a mesma quantidade de energia que continha há mil anos atrás, e que conterá a mil anos no futuro, de conformidade com a Primeira Lei da Termodinâmica. A quantidade de energia, inclusive da massa equivalente, é conservada

2ª Lei da Termodinâmica

A chamada  segunda lei da termodinâmica diz o seguinte:

 “A quantidade de entropia de qualquer sistema isolado termodinamicamente tende a incrementar-se com o tempo, até alcançar um valor máximo”.

Mais sensivelmente, quando uma parte de um sistema fechado interage com outra parte, a energia tende a dividir-se por igual, até que o sistema alcance um equilíbrio térmico.

Enquanto a primeira lei da termodinâmica estabelece a conservação de energia em qualquer transformação, a segunda lei estabelece condições para que as transformações termodinâmicas possam ocorrer.

A tendência do calor a passar de um corpo mais quente para um mais frio, e nunca no sentido oposto, a menos que exteriormente comandado, é enunciada pela segunda lei da termodinâmica. Essa lei nega a existência do fenômeno espontâneo de transformação de energia térmica em energia cinética, que permitiria converter a energia do meio aquecido para a execução de um movimento (por exemplo, mover um barco com a energia resultante da conversão da água em gelo).

De acordo com essa lei da termodinâmica, num sistema fechado, a entropia nunca diminui. Isso significa que, se o sistema está inicialmente num estado de baixa entropia (organizado), tenderá espontaneamente a um estado de entropia máxima (desordem). Por exemplo, se dois blocos de metal a diferentes temperaturas são postos 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.

Entropia

A entropia, que pode ser entendida como decorrente da desordem interna do sistema, é definida por meio de processos estatísticos relacionados com a probabilidade de as partículas terem determinadas características ao constituírem um sistema num dado estado. Assim, por exemplo, as moléculas e átomos que compõem 1kg de gelo, a 0o C e 1atm, apresentam características individuais distintas, mas do ponto de vista estatístico apresentam, no conjunto, características que definem a possibilidade da existência da pedra de gelo nesse estado.

A variação da função entropia pode ser determinada pela relação entre a quantidade de calor trocada e a temperatura absoluta do sistema. Assim, por exemplo, a fusão de 1kg de gelo, nas condições de 273K e 1atm, utiliza 80.000cal, o que representa um aumento de entropia do sistema, devido à fusão, em 293J/K.

Estudante de Análise e Desenvolvimento de Sistemas. Atualmente mora em Londrina. É um dos responsáveis pela fundação do EducaHelp, plataforma de desenvolvimento de conteúdos para Pré-Vestibular.
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Lucas Montini

Estudante de Análise e Desenvolvimento de Sistemas. Atualmente mora em Londrina. É um dos responsáveis pela fundação do EducaHelp, plataforma de desenvolvimento de conteúdos para Pré-Vestibular.

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