O que são?

As leis da Termodinâmica estão para a termodinâmica assim como as Leis de Newton estão para a mecânica — elas descrevem os fenômenos naturais com exatidão. Enquanto na mecânica temos a relação entre força, energia e movimento, as leis termodinâmicas estabelecem a relação entre calor e trabalho.

Além do princípio das trocas de calor (chamado às vezes de “zerésima lei”), temos três leis que regem a termodinâmica, expostas abaixo.

A Primeira Lei da Termodinâmica

Também conhecida como a Lei da Conservação de Energia, a primeira lei estabelece que o calor recebido ou cedido pelo sistema $(Q)$ é igual a soma da variação de sua energia interna $(\Delta U)$ com o trabalho realizado $(\tau)$. De forma alternativa, é equivalente dizer que a variação de energia interna de um gás se dá pela diferença entre o calor recebido e o trabalho realizado.

Algébricamente, as duas declarações estão expostas abaixo.

Da primeira lei conseguimos classificar uma outra transformação termodinâmica, a transformação adiabática. As transformações adiabáticas são assim chamadas por acontecem sem troca de calor com o meio exterior $(Q=0)$, com todo o trabalho realizado pelo gás sendo diretamente oriundo de sua energia interna.

Um caso comum de uma transformação adiabática é a rápida expansão sofrida pelo gás do desodorante quando este é liberado — a troca de calor com o ambiente é negligível pela velocidade do processo. Essa é a razão do resfriamento da latinha do produto ao ser usado.

A Segunda Lei da Termodinâmica

A segunda lei estabelece a impossibilidade da existência de um fluxo de calor com origem num corpo mais frio em direção a um corpo mais quente, de forma espontânea. Para que isso ocorra, é necessário a aplicação de alguma energia extra (exemplo clássico: refrigeradores).

Uma consequência dessa afirmação é a possibilidade de existir um motor “perfeito”, que transforme toda a sua energia térmica em trabalho.

Esse “desperdício” de energia é intrínseco ao funcionamento de qualquer máquina termodinâmica, pois seria impossível concluir um ciclo de compressão e expansão de um gás sem que o gás cedesse energia para que fosse comprimido. Um exemplo de ciclo de funcionamento de motor impossível é o ciclo de Carnot. Sua impossibilidade vem da inexistência da possibilidade prática de alcançar o zero absoluto na chamada “fonte fria”, que permite o resfriamento do gás.

Em termos de uma outra grandeza, entropia (que mede a “desordem” de um sistema físico), a segunda lei é definida como a impossibilidade da entropia total de um sistema diminuir, apenas se manter constante ou aumentar.

“Entropia é a tendência universal de dispersar energia. Isso dá a ideia de tempo, pois a entropia em geral só pode aumentar e, se em um sistema existe entropia diminuindo, é porque a entropia universal aumentou em outro lugar, tipo no refrigerador. Você diminui a entropia dentro de um local mas pra fazer iss você gasta mais energia de outros modos.” (LPR)

A Terceira Lei da Termodinâmica

A terceira lei afirma que, à medida que a temperatura de um material se aproxima do zero absoluto, sua entropia se aproxima de um valor constante chamado “entropia residual”.

Esse estado de mínima energia é denominado estado fundamental.

A figura à direita (A) ilustra um cristal à 0K (zero absoluto, impossível). CC-BY-SA, via Wikimedia Commons.