TERMODINÂMICA 

A termodinâmica é o ramo da física que estuda as relações entre o calor trocado, representado pela letra Q, e o trabalho realizado, representado pela letra τ, num determinado processo físico que envolve a presença de um corpo e/ou sistema e o meio exterior. É através das variações de temperatura, pressão e volume, que a física busca compreender o comportamento e as transformações que ocorrem na natureza.

Calor é energia térmica em trânsito, que ocorre em razão das diferenças de temperatura existentes entre os corpos ou sistemas envolvidos.
Energia é a capacidade que um corpo tem de realizar trabalho.

A termodinâmica tem como principais pontos o estudo de duas leis, que são:

- Primeira Lei da Termodinâmica: essa lei diz que a variação da energia interna de um sistema pode ser expressa através da diferença entre o calor trocado com o meio externo e o trabalho realizado por ele durante uma determinada transformação.

As transformações que são estudadas na primeira lei da termodinâmica são:

Transformação isobárica: ocorre à pressão constante, podendo variar somente o volume e a temperatura;
Transformação isotérmica: ocorre à temperatura constante, variando somente as grandezas de pressão e volume;
Transformação isocórica ou isovolumétrica: ocorre à volume constante, variando somente as grandezas de pressão e temperatura;
Transformação adiabática: é a transformação gasosa na qual o gás não troca calor com o meio externo, seja porque ele está termicamente isolado ou porque o processo ocorre de forma tão rápida que o calor trocado é desprezível.

- Segunda Lei da Termodinâmica: enunciada pelo físico francês Sadi Carnot, essa lei faz restrições para as transformações realizadas pelas máquinas térmicas como, por exemplo, o motor de uma geladeira. Seu enunciado, segundo Carnot, diz que:

Para que um sistema realize conversões de calor em trabalho, ele deve realizar ciclos entre uma fonte quente e fria, isso de forma contínua. A cada ciclo é retirada uma quantidade de calor da fonte quente, que é parcialmente convertida em trabalho e a quantidade de calor restante é rejeitada para a fonte fria.

Transformação

A energia interna U do sistema depende unicamente do estado do sistema, em um gás ideal depende somente de sua temperatura. Enquanto que a transferência de calor ou o trabalho mecânico dependem do tipo de transformação ou caminho seguido para ir do estado inicial ao final.

Isocórica ou a volume constante

Não há variação de volume do gás, logoW=0 Q=ncV(TB-TA)Onde cV é o calor específico a volume constante

Isobárica ou a pressão constante

W=p(vB-vA)Q=ncP(TB-TA)Onde cP é o calor específico a pressão constante

Calores específicos a pressão constante c_P e a volume constante c_V

Em uma transformação a volume constante dU=dQ=nc_VdT

Em uma transformação a pressão constante dU=nc_PdT-pdV

Como a variação de energia interna dU não depende do tipo de transformação, e sim somente do estado inicial e do estado final, a segunda equação pode ser escrita como nc_VdT=nc_PdT-pdV

Empregando a equação de estado de um gás ideal pV=nRT, obtemos a relação entre os calores específicos a pressão constante e a volume constante

c_V=c_P-RPara um gás monoatômico  

Para um gás diatômico 

A variação de energia interna em um processo AB é DU=nc_V(T_B-T_A)

Se denomina índice adiabático de um gás ideal ao quociente 

Isotérmica ou a temperatura constante

pV=nRT

A curva p=cte/V que representa a transformação em um diagrama p-V é uma hipérbole cujas assíntotas são os eixos coordenados.

DU=0 Q=W

Adiabática ou isolada termicamente, Q=0

A equação de uma transformação adiabática foi obtida a partir de um modelo simples de gás ideal. Agora vamos obtê-la a partir do primeiro princípio da Termodinâmica.

Equação da transformação adiabáticaDo primeiro princípio dU=-pdV Integrando

Onde o expoente de V se denomina índice adiabático g del gas ideal

Se A e B são os estados inicial e final de uma transformação adiabática se cumpre que

Para calcular o trabalho é necessário efetuar uma integração similar a transformação isotermica.

Como podemos comprovar, o trabalho é igual a variação de energia interna mudando de sinal

Se Q=0, entonces W=-DU=-nc_V(T_B-T_A)