Termodinâmica: A Física do Calor e da Energia

No Verão de 2023, a temperatura da água superficial do Mediterrâneo atingiu 28,7°C — um recorde histórico. Os climatologistas preocupam-se porque o calor armazenado no oceano é energia disponível para furacões. A termodinâmica descreve exatamente como esta energia flui, se transforma e, crucialmente, não pode ser completamente recuperada.

Esta última ideia — que há uma direção preferida no fluxo de energia, que o universo tende para a desordem — é a Segunda Lei da Termodinâmica. É uma das leis mais profundas e melancólicas da física.

Temperatura, Calor e Energia Interna

Temperatura é uma medida da energia cinética média das partículas.

Calor Q é a transferência de energia por diferença de temperatura. Flui do corpo mais quente para o mais frio.

Escala Kelvin: T(K) = T(°C) + 273,15. O zero absoluto (0 K = −273,15°C) é a temperatura mínima possível.

Energia interna U de um gás ideal monoatómico:

U = \frac{3}{2} n R T

onde n é o número de moles e R = 8,314 J/(mol·K).

Lei Zero da Termodinâmica

Se dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terceiro, estão em equilíbrio entre si.

Esta lei óbvia é a base conceptual de toda a medição de temperatura e do termómetro.

Primeira Lei da Termodinâmica

Conservação de energia:

Δ U = Q - W

A variação de energia interna de um sistema é o calor que recebe menos o trabalho que realiza.

Processos termodinâmicos:

| Processo | Condição | Simplificação | |----------|----------|---------------| | Isotérmico | T = const | ΔU = 0 → Q = W | | Isobárico | P = const | W = PΔV | | Isocórico | V = const | W = 0 → Q = ΔU | | Adiabático | Q = 0 | ΔU = −W |

Segunda Lei da Termodinâmica

A Segunda Lei pode ser enunciada de várias formas equivalentes:

Clausius: O calor não flui espontaneamente de um corpo frio para um quente.

Kelvin-Planck: Nenhum motor pode converter calor em trabalho com 100% de eficiência.

A grandeza que quantifica a "desordem" ou "indisponibilidade de energia" é a entropia S:

Δ S = \frac{Q _{rev}}{T} \geq 0 (universo isolado)

A entropia do universo nunca diminui. Esta é a base da seta do tempo: por que os processos naturais são irreversíveis.

Rendimento de Máquinas Térmicas

Uma máquina térmica absorve calor Q₁ de uma fonte quente (T₁), realiza trabalho W, e cede calor Q₂ a uma fonte fria (T₂):

η = \frac{W}{Q _{1}} = 1 - \frac{Q _{2}}{Q _{1}}

Rendimento máximo de Carnot (ciclo reversível):

η_{Carnot} = 1 - \frac{T _{2}}{T _{1}}

Nenhuma máquina real supera o rendimento de Carnot. Uma central elétrica a carvão com T₁=600°C e T₂=30°C tem rendimento máximo teórico de η = 1 − 303/873 ≈ 65%. Na prática, ≈40%.