Conceitos básicos 1

Fundamentos de Termodinâmica
14 de agosto de 2011
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1.1
Conceitos Básicos
Introdução
A palavra termodinâmica provem da composição dos termos gregos terém que significa “calor” e
dynamis, cujo sentido original é de força. Porém em física dynamis é quele oposto a estática, ou
seja tem sentido de movimento. Assim etimologicamente termodinâmica deveria ser a ciência
que estuda os câmbios em sistemas físicos sobre os quais intervem calor contudo, por exemplo, há
fenômenos elétricos e magnéticos nos quais se observam variações de temperatura e intercambio
de calor que não são objeto da termodinâmica; para complicar ainda mais existem fenômenos
onde não há variação de calor e pertence ao escopo da termodinâmica. Na verdade o nome
termodinâmica é histórico, como mostraremos a seguir, o nascimento da termodinâmica está
intimamente ligado com a revolução industrial, com a época das máquinas movidas a vapor
mas com os novos descobrimentos se estende sua aplicabilidade a sistemas que tradicionalmente
não seriam considerados como sendo termodinâmicos.
Essa dificuldade em dar uma definição à termodinâmica leva, de uma forma ou outra,
a relacioná-la com a mecânica estatística o que, por vezes, leva os estudantes considerar a
termodinâmica como sendo menos importante do que a mecânica estatística. Na verdade a
termodinâmica é muito mais sólida do que essa área da física. A termodinâmica nos permite
obter relações matemáticas gerais a partir da análise dos resultados experimentais obtidos de
vários sistemas físico; diferentemente da mecânica estatística, que supões que os sistemas físicos
são constituídos por uma coletividade de entes e a partir da análise estatística desses entes se
obtêm relações específicas aplicáveis ao sistema em estudo. É aqui onde está o grande problema,
a mecânica estatística resulta “sexy” por relacionar aquilo que é observado no mundo macroscópico aos componentes fundamentais da matéria. Assim, se associa uma origem “essencial”
as relações que a termodinâmica propõe e de certa forma dando a ideia que a termodinâmica
é um consequência da mecânica estatística. Na verdade essa associação nem sempre é aconselhável pois há caso em que os resultado da Mecânica estatística não estão em acordo com
os da Termodinâmica. Gostaria que notassem a forma como foi colocada a oração anterior, a
Mecânica estatística não está em acordo com a Termodinâmica, é desse jeito que temos que
pensar e não do contrário (o outro jeito seria: a termodinâmica não está em acordo com a
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não tem sentido dizer que o sistema tinha uma configuração A e depois uma configuração B.
Agora, isso é importante no que tange ao II principio da termodinâmica, a entropia de um
sistema isolado é maior quando não existem vínculos internos se comparada ao sistema com
vínculos internos.
A pergunta seguinte é, será que existem os estados de equilíbrio termodinâmico? O que
podemos dizer ao respeito é que estados de equilíbrio são uma idealização. Sistemas físicos
reais se mantem em estados mais o menos em equilíbrio durante certo tempo e esse tempo
depende do grau de perfeição da preparação experimental do sistema, por exemplo é de todos
conhecido que a água dentro de uma térmica depois de um tempo esfria, mas por um período
de alguns minutos ela mantem a temperatura constante, nesse período podemos dizer que o
sistema está em equilíbrio e, para a termodinâmica esse equilíbrio é infinito. Se aplicarmos os
resultados da termodinâmica a esse sistema ela funcionará de forma perfeita.
1.2
1.2.1
Conceitos Fundamentais
Sistema Termodinâmico
Chamaremos de sistema termodinâmico ou simplesmente sistema, a todo sistema físico
que satisfaz os postulados da Termodinâmica; sistema total, a um sistema termodinâmico
constituído por vários subsistemas; fase, a qualquer sistema (ou subsistema) homogêneo. É
comum utilizar o termo fase - aparência em grego - para indicar as diferenças entre sistemas ou
subsistemas homogêneos com as mesmas componentes porém, com propriedades que permitam
distingui-los qualitativamente. Quando se diz que um sistema é homogêneo temos que entender
que o sistema possui essa propriedade no seu estado de equilíbrio.
Utilizaremos o termo sistema não só como uma parte do universo físico (com existência
real), senão também para designar “modelos”, isto é, sistemas que podem não existir e que
são definidos pelas propriedades de que se supões são dotados (muitas vezes simplificações da
realidade).
Chamamos de contorno termodinâmico a uma superfície fechada conceitual que permite
a distinção clara entre o sistema (aquilo que está dentro da superfície) e o resto do universo
(aquilo que está fora da superfície). Note que utilizamos o adjetivo conceptual ao nos referirmos
à superfície porque essa superfície não necessariamente existe. Não necessariamente a região
que é limitada pela superfície é conexa, pode ser formada por subsistemas, nem mesmo o termo
fechado deve ser levado ao pé da letra pois podemos ter contornos que deixem passar algumas
coisas.
Em geral se chama de meio de um sistema ao conjunto de sistemas do resto do universo
que podem interagir com o sistema. Note que resto do universo implica em tudo aquilo que
não é o sistema em estudo propriamente dito. Mas, quase sempre utilizaremos a palavra meio
em um sentido mais restrito, para nos referirmos a outros sistemas que influenciem o sistema
em estudo e, em particular, expressaram a ideia de fonte que estabelece as condições externas.
Assim, o universo - tal como se entende na linguagem cosmológica - representa um tipo especial
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