Leis da termodinâmica: conceitos e fórmulas

As leis da termodinâmica formam a base da termodinâmica - a área da física que estuda as relações existentes entre energia térmica e energia mecânica.

No total, existem quatro leis da termodinâmica. Cada uma delas nos ensina um pouco mais sobre as trocas de calor entre corpos e/ou sobre como essas trocas podem gerar trabalho. Isso certamente é essencial para o funcionamento de diversos dispositivos que utilizamos em nosso cotidiano.

A termodinâmica e as suas leis valem para qualquer tipo de corpo. No entanto, algumas delas podem se tornar muito complicadas quando generalizadas. Sendo assim, nesse post, focaremos nas suas aplicações aos gases ideais, já que é assim que esse conteúdo é visto no ensino médio e cobrado nos vestibulares e no Enem.

Lei zero da termodinâmica

A lei zero da termodinâmica estabelece como acontecem as trocas de calor entre os corpos.

Primeiramente, para que exista um fluxo de calor entre dois corpos, é necessário que exista diferença de temperatura entre eles, ou seja, não existe troca de calor entre corpos que possuem mesma temperatura.

Sendo assim, quando dois corpos forem colocados em contato térmico, um fluxo de calor pode ocorrer entre eles. Contudo, esse fluxo deixará de existir assim que ambos atingirem a mesma temperatura.

Portanto, por definição, sempre que dois corpos possuem uma mesma temperatura e, consequentemente, não trocam calor entre si, dizemos que eles se encontram em equilíbrio térmico.

Dessa forma, podemos partir para a lei zero da termodinâmica. Ela nos diz que:

"Se dois corpos, A e B, estão individualmente em equilíbrio térmico com um outro corpo C, ambos também estarão em equilíbrio térmico entre si."

Não entendeu? Observe a imagem abaixo:

Se sabemos que os corpos A e C estão em equilíbrio térmico (T_A = T_C) e que, ao mesmo tempo, os corpos B e C estão em equilíbrio térmico (T_B = T_C), a lei zero da termodinâmica nos garante que os corpos A e B também estarão em equilíbrio térmico entre si (T_A = T_B).

Primeira lei da termodinâmica

Uma vez que já aprendemos sobre como acontecem as trocas de calor, podemos dar um passo adiante: entender as consequências dessas trocas.

Por exemplo, imagine um gás ideal que se encontra dentro de um recipiente fechado. Se ele recebe calor, ele está recebendo uma forma de energia, certo? O que acontece com essa energia?

O Principio da Conservação da Energia diz que energia não pode ser criada e nem destruída, ela apenas muda de forma.

Portanto, o calor recebido tem que ser transformado em algo. No caso dos gases ideais, existem duas opções:

• → O calor (Q) recebido pode ser convertido em energia interna (U), aumentando a temperatura do gás.

• → O calor (Q) recebido também pode ser utilizado pelo gás para forçar as paredes de recipiente, o que permite a sua expansão (aumento de volume). Desse modo, dizemos que o gás realizou trabalho sobre as paredes.

É importante notar também que as duas opções citadas podem ocorrer em um mesmo processo, ou seja, parte do calor recebido pode ser convertida em energia interna enquanto o restante é utilizado na realização de trabalho.

Generalizando isso, a primeira lei da termodinâmica nos diz que, quando um gás ideal passa por qualquer tipo de processo (expansão, compressão, aquecimento, resfriamento, etc.), a relação entre as três grandezas citadas (calor, trabalho e energia interna) sempre seguirá a equação:

Todavia, para conseguir aplicar essa equação a algum processo, é necessário que você entenda a convenção de sinais para cada uma das grandezas:

Ficou com alguma dúvida ou quer se aprofundar mais no assunto? Confira nosso post exclusivo sobre a primeira lei da termodinâmica! Nele, você encontrará mais detalhes sobre o que foi visto. Além disso, vai entender como essa lei se aplica em diferentes transformações termodinâmicas (isotérmica, isovolumétrica, adiabática, isobárica e expansão livre).

Segunda lei da termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica pode ser enunciada de diversas formas. No entanto, todas elas são equivalentes e nos apresentam as restrições existentes nos processos termodinâmicos.

Estudaremos essa lei em três contextos: máquinas térmicas, refrigeradores e entropia.

Se quiser ir além do básico, recomendamos o nosso post exclusivo sobre a segunda lei da termodinâmica. Nele, você encontrará maiores detalhes, fórmulas e até mesmo esquemas para ajudar na fixação dos conceitos.

Máquinas térmicas

Vamos conhecer uma das principais aplicações da termodinâmica: as máquinas térmicas. Chamamos de máquina térmica qualquer dispositivo capaz de converter calor em trabalho útil. Alguns exemplos comuns de máquinas térmicas são as máquinas a vapor (utilizadas em trens e em navios), os motores de automóveis e até mesmo os reatores nucleares.

Tá, mas será que todo o calor que uma máquina térmica recebe pode ser convertido em trabalho útil? A resposta é não! Para entender o porquê disso, precisamos nos voltar para a segunda lei da termodinâmica.

O primeiro enunciado da segunda lei da termodinâmica que iremos estudar é o enunciado de Kelvin-Planck:

“É impossível construir uma máquina que, operando em ciclos termodinâmicos, tenha como único efeito converter integralmente em trabalho todo o calor recebido.“

Parece complicado, né?! Mas, na verdade, é bem simples: esse enunciado nos diz que nenhuma máquina térmica é capaz de transformar em trabalho todo o calor que recebe.

Sendo assim, podemos concluir também que, para toda máquina térmica, parte do calor recebido (aquele que não foi convertido em trabalho) é rejeitado durante o processo.

Confira também como funciona a conservação da energia em máquinas térmicas e como calcular o rendimento dessas máquinas.

Refrigeradores

Além das máquinas térmicas, outra aplicação importante da termodinâmica são os refrigeradores.

Na física, chamamos de refrigerador um dispositivo capaz de transferir calor de uma região mais fria para uma região mais quente. Assim, alguns exemplos comuns de refrigeradores são as geladeiras e os equipamentos de ar-condicionado.

Sabendo disso, partimos pra um segundo enunciado da segunda lei da termodinâmica, o enunciado de Clausius:

“É impossível que uma máquina, sem a ajuda de um agente externo, consiga conduzir calor de um sistema para outro que esteja a uma temperatura maior.“

Na verdade, essa é a apenas a formalização de algo que podemos perceber em nosso cotidiano: calor nunca irá fluir espontaneamente de um corpo para outro mais quente. 

Tá, mas os refrigeradores não violam o enunciado de Clausius? Não, pois os seus processos não são espontâneos, e sim forçados! Para forçar essa "transferência inversa" de calor, o refrigerador precisa realizar trabalho. Por isso os aparelhos de ar-condicionado e geladeiras precisam estar conectados na tomada: eles utilizam energia elétrica para realizar esse trabalho.

Confira também como funciona a conservação da energia em refrigeradores e como calcular a eficiência desses dispositivos.

Entropia

Por fim, estudaremos uma terceira forma de enunciar a segunda lei da termodinâmica: através da entropia. A entropia (S) é a medida da "desordem" de um sistema. Dessa forma, quanto maior é a desordem, maior é a entropia.

A segunda lei da termodinâmica nos diz que, com o passar do tempo, a desordem de um sistema fechado (que permite trocas de energia, mas não de matéria) tende sempre a aumentar e nunca a diminuir. Consequentemente, a entropia de um sistema fechado também tende sempre a aumentar. Dessa forma, podemos concluir que, como um todo, a entropia do universo vem aumentando ao longo do tempo. Quer saber mais sobre o assunto? Temos um post completo sobre entropia.

Terceira lei da termodinâmica

Importante: A terceira lei da termodinâmica vai muito além dos conteúdos vistos no ensino médio. Portanto, ela não aparece em questões de nenhum tipo de vestibular.

A terceira lei da termodinâmica nos diz que, se um corpo fosse resfriado até o zero absoluto (0 K ou -273,15º C), a sua entropia deveria necessariamente permanecer nula (S = 0). Contudo, isso violaria a segunda lei da termodinâmica já que, segundo ela, a entropia tende sempre a aumentar.

Concluímos então, com base nessas duas leis, que é impossível resfriar um corpo até o zero absoluto.

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