Introdução à termodinâmica
Produzido por Juliana EcheniqueTeoria
Afinal, o que é termodinâmica?
E aí, tudo bom? 😊
A gente escuta bastante falar sobre termodinâmica e como ela é importante para a química, mas falta ainda uma definição, não é? Afinal, o que é a termodinâmica?
A termodinâmica é o estudo da energia: como ela pode ser transformada e transferida.
Para entendermos mais, vamos definir alguns conceitos fundamentais pra termodinâmica:
- Tipos de sistemas
- Transferência de calor e trabalho
- Calor específico e capacidade calorífica
Bora lá ver isso tudo então!
Sistemas e suas classificações
Vamos imaginar um bécher onde ocorre uma reação que queremos saber se é endotérmica ou exotérmica. Para isso, precisamos analisar a troca de energia da solução no bécher com o ambiente, certo?
O bécher, por ser nosso objeto de interesse de estudo, é chamado de sistema.
Já todo o arredor dele, o ambiente com o qual ele troca calor, é chamado vizinhança.
O conjunto sistema + vizinhança é muitas vezes chamado de universo.
Agora que sabemos que o sistema nada mais é que a parte específica do universo que desejamos estudar, podemos classificar esse sistema:
.
Obs: Fronteira adiabática, ou parede adiabática significa só que é uma fronteira que impede o calor de passar!
Aplicando no nosso exemplo do bécher:
- o bécher como sistema aberto seria ele em cima da bancada do laboratório, com a solução evaporando e a temperatura se igualando à temperatura externa.
- Já o sistema fechado aconteceria se vedássemos o bécher, e impedíssemos que a solução evaporasse. Assim, apenas a temperatura do bécher mudaria, até se igualar com a do ambiente.
- Para que o nosso bécher fosse um sistema isolado, precisaríamos vedá-lo e colocá-lo em um recipiente que evita a troca de calor, como uma garrafa térmica, por exemplo.
Transferência de energia: calor (q) e trabalho (w)
A gente sabe que se a gente encher nosso copo de refrigerante e demorar muito pra beber ele vai acabar esquentando. Assim, como se a gente demorar muito pra comer a comida esfria, certo?
Bom, o calor é a energia transferida quando há uma diferença de temperatura entre dois corpos. Então, assim como o refrigerante, quanto a comida quentinha, vão trocar calor com o meio ambiente até que as temperaturas se igualem.
E como a energia existe na forma de calor, ela flui sempre do corpo mais quente para o mais frio.
Agora vamos pensar num outro caso!
Vamos pensar em um gás quente dentro de um recipiente, com um êmbolo em cima dele. Esse gás tem uma certa energia, e, ao se expandir e resfriar, ele empurra esse êmbolo móvel para cima.
A energia necessária para empurrar esse pistão para cima é o trabalho!
Quando o gás se expande, então, ele aplica uma força contrária à força do pistão, para deslocá-lo, e assim realiza trabalho.
A definição de trabalho na física é a energia usada para deslocar um corpo contra uma força! Aqui na termodinâmica não é diferente!
De uma maneira mais geral, energia é a medida da capacidade de um corpo de transferir calor ou realizar trabalho.
Um gás quente e comprimido tem mais capacidade de se expandir e realizar trabalho (levantando o êmbolo) do que um gás que já se expandiu e resfriou. Por isso o gás quente e comprimido tem mais energia do que o mesmo gás expandido e resfriado.
Energia interna
Como a gente falou então, a energia interna de um sistema é a energia total desse sistema, que pode ser convertida em calor ou em trabalho.
É beem complicado de calcular a energia por si só de um sistema, e o que mais nos interessa, na verdade, é como essa energia varia!
- Por exemplo: um gás que realiza de trabalho diminuiu sua capacidade de realizar trabalho em 20J, ou seja, diminuiu sua energia interna em . Ou seja, .
Agora, se por exemplo, a gente comprime esse gás, vamos estar realizando trabalho contra o sistema. Assim a gente aumenta a sua capacidade de se expandir (e realizar trabalho ele mesmo). Ai nesse caso a sua energia interna aumenta e o .
Com o calor não é muito diferente! Se o calor foi dado ao sistema, houve um aumento da sua capacidade de transferir calor e sua energia interna aumenta ().
Mas se o sistema perde calor, sua energia interna diminui ().
Capacidade calorífica
O calor é a energia consequente de uma diferença de temperatura, né? Mas o quanto de calor a gente tem que dar pra um sistema mudar a sua temperatura?
Calma! Já vou te explicar! Existe uma paradinha que se chama capacidade calorífica!
A capacidade calorífica de um corpo é uma propriedade que serve justamente para quantificar como esse calor fornecido/recebido altera a temperatura!
Ou seja, se um corpo tem uma alta capacidade calorífica, isso quer dizer que você pode fornecer bastante calor que a temperatura vai mudar pouco (já que e são inversamente proporcionais).
Já um corpo com uma baixa capacidade calorífica vai aumentar muiiito de temperatura com pouco calor fornecido.
Agora, um copo de água precisa de muito menos calor fornecido para aumentar do que uma piscina inteira.
A capacidade calorífica depende da massa do corpo, então a podemos definir 2 capacidades caloríficas para facilitar nossos cálculos:
Usando o calor específico de uma substância, podemos calcular o calor fornecido/recebido através da equação:
Obs: As unidades são beeem importantes pra você diferenciar o que é o que no rolê!
Guarda isso no seu coração, ok?
Por último, mas não menos importante... Como que a gente mede o calor específico de alguma coisa então?
Sem desespero, calorímetros são dispositivos que servem para quantificar o calor trocado e a variação de energia. Eles também usam a equação , mas nesse caso o é a capacidade calorífica do próprio calorímetro.
Bom, nesse tópico a gente viu bastante coisa e tem váaaarias situações que a gente usa a capacidade calorífica e os outros conceitos. Então não deixe de fazer os exercícios! Vamos praticar? 😊