Visão geral da termodinâmica e conceitos básicos

Termodinâmica é a campo da física que lida com a relação entre calor e outras propriedades (como pressão, densidade, temperaturaetc.) numa substância.

Especificamente, a termodinâmica concentra-se amplamente em como transferência de calor está relacionado a várias mudanças de energia dentro de um sistema físico passando por um processo termodinâmico. Tais processos geralmente resultam em trabalhos sendo feito pelo sistema e são guiados pelo leis da termodinâmica.

De um modo geral, o calor de um material é entendido como uma representação da energia contida nas partículas desse material. Isso é conhecido como teoria cinética dos gases, embora o conceito se aplique em vários graus a sólidos e líquidos também. O calor do movimento dessas partículas pode transferir-se para partículas próximas e, portanto, para outras partes do material ou outros materiais, através de uma variedade de meios:

• Contato térmico é quando duas substâncias podem afetar a temperatura uma da outra.
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• Equilíbrio térmico é quando duas substâncias em contato térmico não transferem mais calor.
• Expansão térmica ocorre quando uma substância se expande em volume à medida que ganha calor. A contração térmica também existe.
• Condução é quando o calor flui através de um sólido aquecido.
• Convecção é quando partículas aquecidas transferem calor para outra substância, como cozinhar algo em água fervente.
• Radiação é quando o calor é transferido através de ondas eletromagnéticas, como do sol.
• Isolamento é quando um material de baixa condução é usado para impedir a transferência de calor.

Um sistema passa por um processo termodinâmico quando houver algum tipo de alteração energética dentro do sistema, geralmente associada a alterações na pressão, volume, energia interna (isto é, temperatura) ou qualquer tipo de transferência de calor.

Existem vários tipos específicos de processos termodinâmicos que possuem propriedades especiais:

• Processo adiabático - um processo sem transferência de calor para dentro ou para fora do sistema.
• Processo isocórico - um processo sem alteração de volume; nesse caso, o sistema não funciona.
• Processo isobárico - um processo sem mudança de pressão.
• Processo isotérmico - um processo sem mudança de temperatura.

Um estado da matéria é uma descrição do tipo de estrutura física que uma substância material manifesta, com propriedades que descrevem como o material se mantém (ou não). Há cinco Estados da matéria, embora apenas os três primeiros sejam geralmente incluídos na maneira como pensamos sobre os estados da matéria:

• gás
• líquido
• sólido
• plasma
• superfluido (como um Condensado de Bose-Einstein)

Muitas substâncias podem fazer a transição entre as fases gasosa, líquida e sólida da matéria, enquanto apenas algumas substâncias raras são conhecidas por serem capazes de entrar em um estado superfluido. O plasma é um estado distinto da matéria, como raios

• condensação - gás para líquido
• congelamento - líquido a sólido
• fusão - sólido a líquido
• sublimação - sólido para gás
• vaporização - líquida ou sólida para gás

A capacidade de calor, C, de um objeto é a razão de variação no calor (variação de energia, ΔQ, onde o símbolo grego Delta, Δ, indica uma mudança na quantidade) para mudar de temperatura (ΔT).

C = Δ Q / Δ T

A capacidade de calor de uma substância indica a facilidade com que uma substância aquece. UMA bom condutor térmico teria um baixa capacidade de calor, indicando que uma pequena quantidade de energia causa uma grande alteração de temperatura. Um bom isolador térmico teria uma grande capacidade de calor, indicando que é necessária muita transferência de energia para uma mudança de temperatura.

Existem vários equações ideais de gás que relacionam temperatura (T₁), pressão (P₁) e volume (V₁). Esses valores após uma alteração termodinâmica são indicados por (T₂), (P₂) e (V₂). Para uma determinada quantidade de uma substância, n (medido em moles), os seguintes relacionamentos são válidos:

Lei de Boyle ( T é constante):
P₁V₁ = P₂V₂
Charles / Lei Gay-Lussac (P é constante):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Lei do gás ideal:
P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ = nR

R é o constante de gás ideal, R = 8,3145 J / mol * K. Para uma determinada quantidade de matéria, portanto, nR é constante, o que dá a Lei do Gás Ideal.

• Lei Zeroeth da Termodinâmica - Dois sistemas cada um em equilíbrio térmico com um terceiro sistema estão em equilíbrio térmico entre si.
• Primeira Lei da Termodinâmica - A mudança na energia de um sistema é a quantidade de energia adicionada ao sistema menos a energia gasta no trabalho.
• Segunda Lei da Termodinâmica - É impossível para um processo ter como único resultado a transferência de calor de um corpo mais frio para um mais quente.
• Terceira Lei da Termodinâmica - É impossível reduzir qualquer sistema a zero absoluto em uma série finita de operações. Isso significa que não é possível criar um motor térmico perfeitamente eficiente.

A Segunda Lei da Termodinâmica pode ser reformulada para falar sobre entropia, que é uma medida quantitativa do distúrbio em um sistema. A mudança de calor dividida pela temperatura absoluta é o mudança de entropia do processo. Definida dessa maneira, a Segunda Lei pode ser reformulada como:

Em qualquer sistema fechado, a entropia do sistema permanecerá constante ou aumentará.

Por "Sistema fechado" significa que cada parte do processo é incluída no cálculo da entropia do sistema.

De certa forma, tratar a termodinâmica como uma disciplina distinta da física é enganoso. A termodinâmica afeta praticamente todos os campos da física, da astrofísica à biofísica, porque todos eles lidam de alguma maneira com a mudança de energia em um sistema. Sem a capacidade de um sistema de usar energia dentro do sistema para fazer o trabalho - o coração da termodinâmica - não haveria nada para os físicos estudarem.

Dito isto, existem alguns campos que usam a termodinâmica de passagem enquanto estudam outras fenômenos, embora haja uma ampla gama de campos que se concentram fortemente nas situações termodinâmicas envolvidos. Aqui estão alguns dos subcampos da termodinâmica:

• Criofísica / Criogenia / Física de baixa temperatura - o estudo de propriedades físicas em situações de baixa temperatura, muito abaixo das temperaturas experimentadas mesmo nas regiões mais frias da Terra. Um exemplo disso é o estudo de superfluidos.
• Dinâmica de Fluidos / Mecânica dos Fluidos - o estudo das propriedades físicas dos "fluidos", especificamente definidos neste caso como líquidos e gases.
• Física de alta pressão - a estudo de física em sistemas de pressão extremamente alta, geralmente relacionados à dinâmica de fluidos.
• Meteorologia / Física do Tempo - a física do clima, sistemas de pressão na atmosfera, etc.
• Física do plasma - o estudo da matéria no estado plasmático.