Termodinâmica

A termodinâmica é um ramo da física que lida com a dependência das propriedades físicas do corpo com a temperatura , ocorrem fenômenos em que ocorrem as trocas de calor , e a transformação de energia entre diferentes formas.

A termodinâmica pode ser abordada a partir de duas abordagens diferentes e complementares: fenomenológica e estatística .

A termodinâmica fenomenológica ou clássica tem sido objecto de numerosos desenvolvimentos desde o XVII º  século. Baseia-se em considerações macroscópicas para estabelecer um número reduzido de princípios e leis, resultantes de observações experimentais.

Termodinâmica estatística, que se desenvolveram a partir do meio do XIX th  século, baseia-se para as suas considerações sobre molecular e no cálculo das probabilidades aplicadas a um grande número de partículas. Ele se esforça para analisar a estrutura da matéria e estabelecer uma ligação entre suas propriedades e os princípios da termodinâmica fenomenológica.

O estudo dos gases ideais e das máquinas térmicas , que trocam energia com o exterior na forma de trabalho e calor , ocupam um lugar central na termodinâmica: permitiram o desenvolvimento de um grande número de máquinas e métodos industriais., E serviram como base para descobertas importantes em química, astrofísica e muitos outros campos científicos.

História

Quente e noções de frio sempre existiram, mas isso é realmente apenas do XVIII °  século que o conceito de calor para as ciências. Em 1780, Pierre Simon de Laplace e Antoine Laurent de Lavoisier escreveram assim em conjunto: “Qualquer que seja a causa que produz a sensação de calor, é suscetível de aumento e diminuição e, deste ponto de vista, pode ser passível de cálculo. Não parece que os antigos tivessem a ideia de medir suas relações, e foi apenas no século passado que se imaginou meios para alcançá-lo. " . Inicialmente focada em conceitos de calor e temperatura, a termodinâmica fenomenológica está em causa a partir do final do XVIII °  século para definir as várias formas de energia, para incluir transferências entre as diferentes formas e explicar o impacto destas transferências sobre as propriedades físicas da matéria. Principalmente com base em experiências, é completada do XIX °  século pelas contribuições de física estatística que, baseando-se na teoria atômica da matéria , os física quântica e ferramentas matemáticas poderosas, dar-lhe uma sólida formação teórica, que tornará possível, em particular, compreender a noção de irreversibilidade de certas transformações, ou mesmo o comportamento da matéria sob condições extremas de pressão ou temperatura.

A aparente simplicidade dos conceitos básicos da termodinâmica, a imensidão de seus campos de aplicação e a profundidade dos estudos teóricos que ela dá origem fascinaram muitos cientistas e, em particular, levaram Albert Einstein a declarar:

"Uma teoria é ainda mais impressionante quando seus fundamentos são simples, ela se relaciona com vários campos e seu campo de aplicação é amplo. É por isso que a termodinâmica clássica me causa uma impressão tão forte. É a única teoria física de escopo universal que eu estou convencido de que, enquanto seus conceitos básicos se aplicarem, nunca haverá falhas. "

Gases ideais: da fenomenologia à estatística

O estudo de gases ideais e seu comportamento quando sua temperatura, pressão ou volume são variados é um dos principais fundamentos históricos da termodinâmica. Seu desdobramento fornece uma ilustração dos métodos experimentais desenvolvidos para esta ciência, bem como da ligação entre a termodinâmica fenomenológica e estatística.

Descobertas e métodos fenomenológicos

Em 1662, o físico irlandês Robert Boyle demonstra experimentalmente uma temperatura constante mantida satisfaz gás a seguinte relação entre a pressão e o seu volume  : . Esta é a lei de Boyle-Mariotte , que estabelece os resultados das transformações isotérmicas de um sistema de gases. P{\ displaystyle P}V{\ displaystyle V}PV=constante{\ displaystyle PV = {\ text {constant}}}

Em 1787, o físico francês Jacques Charles demonstra que um gás a pressão constante satisfaz a seguinte relação entre o volume e temperatura  : . Esta é a lei de Charles , que estabelece os resultados das transformações isobáricas de um sistema de gases. V{\ displaystyle V}T{\ displaystyle T}V/T=constante{\ displaystyle V / T = {\ text {constant}}}

Em 1802, os franceses físico Joseph Louis Gay Lussac- demonstra que um volume constante de gás satisfaz a seguinte relação entre a sua pressão e temperatura  : . Esta é a lei de Gay-Lussac , que estabelece os resultados das transformações isocóricas de um sistema de gases. P{\ displaystyle P}T{\ displaystyle T}P/T=constante{\ displaystyle P / T = {\ text {constant}}}

Em 1811, o físico italiano Amedeo Avogadro demonstrou que volumes iguais de gases ideais diferentes, nas mesmas condições de temperatura e pressão , contêm o mesmo número de moléculas . Esta é a lei de Avogadro .

E em 1834 o físico francês Emile Clapeyron enunciou a lei dos gases ideais , que sintetiza as quatro leis anteriores e liga entre elas as quatro variáveis ​​de estado que são a pressão , o volume , a temperatura e a quantidade de matéria (número de moles ) de um sistema termodinâmico composto de gás ideal: P{\ displaystyle P}V{\ displaystyle V}T{\ displaystyle T} não{\ displaystyle n}

PV=nãoRT{\ displaystyle PV = nRT}

onde é a constante de gás ideal , igual a 8,314 462 1  J / (mol · K) . R{\ displaystyle R}

Todos os experimentos que levaram a esse resultado usam o mesmo método: o físico congela duas variáveis ​​para estudar as ligações entre as outras duas. Boyle assim congelou e estudou as ligações entre e , Charles e estudar e , Gay-Lussac e estudar e , e Avogadro e estudar e . não{\ displaystyle n}T{\ displaystyle T}P{\ displaystyle P}V{\ displaystyle V}não{\ displaystyle n}P{\ displaystyle P}V{\ displaystyle V}T{\ displaystyle T}não{\ displaystyle n}V{\ displaystyle V}P{\ displaystyle P}T{\ displaystyle T}P{\ displaystyle P}T{\ displaystyle T}V{\ displaystyle V}não{\ displaystyle n}

Teoria atômica e física estatística

Paralelamente ao desenvolvimento desses estudos de natureza fenomenológica, a teoria atômica da matéria avançou notavelmente, sob o impulso, em particular, do britânico John Dalton , que já em 1803 delineia uma teoria precisa da estrutura atômica da matéria. , explica as reações químicas pela interação entre os átomos e estabelece as bases para a tabela periódica dos elementos , e o escocês Robert Brown que descreveu o movimento browniano em 1827.

Os termodinamicistas usam seus resultados e os métodos correspondentes para criar a abordagem estatística da disciplina: o físico alemão Rudolf Clausius em 1850 inventou o termo "entropia", definiu a variável de estado correspondente como uma quantidade de origem estatística e afirmou que se torna a formulação moderna do segundo princípio da termodinâmica. Alguns anos depois, o escocês James Clerk Maxwell e o austríaco Ludwig Boltzmann estabeleceram a estatística de Maxwell-Boltzmann que determina a distribuição das partículas entre os diferentes níveis de energia. O americano Willard Gibbs , na década de 1870, atuou tanto na termodinâmica clássica quanto em sua abordagem estatística: definiu a entalpia livre , o potencial químico , a noção de variância e a fórmula para calculá-la, além do termo “mecânica estatística ”Com as noções estatísticas correspondentes (conjuntos canônicos , micro-canônicos e grand-canônicos ) ainda usados ​​desde então.

Seu trabalho leva em particular à teoria cinética dos gases , que apóia os resultados da abordagem fenomenológica ao explicar a natureza e a origem de duas variáveis ​​de estado fundamentais: a temperatura, que é uma medida da energia cinética estatística das moléculas agitadas pelo movimento browniano, e pressão, que é criada pelos choques estatísticos de moléculas na parede do recipiente que contém o gás. Esta teoria explica ainda por que as fórmulas estabelecidas pela termodinâmica fenomenológica são aplicáveis ​​apenas para pressões relativamente baixas.

Essa complementaridade entre as abordagens macroscópica e microscópica é uma característica importante da termodinâmica, que não é apenas uma ciência das transformações de energia, mas também das mudanças de escala.

Máquinas térmicas: entendendo e usando as propriedades do calor

Os conceitos de calor e temperatura são essenciais na termodinâmica. Muitos avanços nesta ciência baseiam-se no estudo de fenômenos que dependem da temperatura e de suas mudanças.

Calor e temperatura

Todo mundo tem um conhecimento intuitivo do conceito de temperatura e calor: um corpo é quente ou frio, dependendo se sua temperatura é mais alta ou mais baixa. Mas a definição científica precisa destes dois conceitos não pôde ser estabelecida até a metade do XIX °  século.

Um dos grandes sucessos da termodinâmica clássica é ter definido a temperatura absoluta de um corpo, o que levou à criação da escala Kelvin . Isto dá a temperatura mínima teórica válida para todos os corpos: de zero kelvin ou -273,15  ° C . É o zero absoluto cujo conceito surge pela primeira vez em 1702 com o físico francês Guillaume Amontons e que foi formalizado em 1848 por William Thomson , mais conhecido pelo nome de Lord Kelvin.

O calor era mais difícil de definir cientificamente. Uma velha teoria, defendida em particular por Lavoisier , atribuía a um fluido especial (invisível, imponderável ou quase) as propriedades do calor, calórico , que circula de um corpo a outro. Quanto mais quente for o corpo, mais calorias ele conterá. Esta teoria é falsa no sentido de que o calórico não pode ser identificado com uma quantidade física conservada. A termodinâmica estatística permitiu definir o calor como uma transferência de energia desordenada de um sistema para o ambiente externo: a energia térmica de um sistema corresponde à energia cinética das moléculas que se movem de acordo com o movimento browniano , sofrendo choques aleatoriamente. Diz-se que a energia transferida é desordenada no nível microscópico, em oposição à transferência de energia ordenada no nível macroscópico, obtida por meio do trabalho .

Máquinas térmicas

A termodinâmica clássica teve muitos sucessos como a ciência das máquinas térmicas ou a ciência da força motriz do fogo .

O calor pode ser produzido pelo atrito entre corpos macroscópicos: as técnicas ancestrais de produzir fogo pelo atrito de dois pedaços de madeira, ou pelo choque entre duas pedras, mostram que essa propriedade é conhecida da humanidade há muito tempo.

Por outro lado, o calor pode colocar corpos macroscópicos em movimento. Os sistemas que visam criar e explorar esse movimento são chamados de máquinas de incêndio ou máquinas térmicas. Essas máquinas permanecem em movimento enquanto existir uma diferença de temperatura entre uma parte quente e uma parte fria.

Sadi Carnot iniciou estudos modernos de máquinas térmicas em uma tese de fundação: Reflexões sobre a força motriz do fogo e sobre as máquinas adequadas para desenvolver essa força ( 1824 ). O ciclo de Carnot , estudado nesta dissertação , continua sendo o principal exemplo de estudo teórico dessas máquinas que transformam energia térmica em trabalho seguindo um ciclo de quatro etapas reversíveis. Sadi Carnot calcula o desempenho máximo teórico de máquinas térmicas, que as máquinas actuais podem ser comparados através de desempenho e descreve os princípios usados uma vez que em muitas máquinas: motores de calor , bombas de calor , aparelhos de ar condicionado e máquinas frigoríficas , ou de vapor e de gases de turbinas . Esta tese também delineou a noção de irreversibilidade , que é o fundamento do segundo princípio da termodinâmica.

Do calor ao movimento

O estudo de máquinas térmicas é a base de muitas aplicações importantes, como motores térmicos ou turbinas a vapor, e tem contribuído para uma melhor compreensão de certos fenômenos naturais, em particular fenômenos meteorológicos.

Esta seção apresenta alguns exemplos em que a energia térmica (ou poder de fogo) coloca a matéria em movimento.

• Uma vela acesa põe o ar ao seu redor em movimento. Uma atualização é criada acima da chama . É perpetuamente renovada por uma corrente de ar frio que chega de baixo. É uma corrente de convecção .
• A água em uma panela no fogo começa a se mover como o ar acima da vela e como todos os fluidos acima de superfícies suficientemente quentes. Se você colocar uma tampa, um novo fenômeno ocorre: o vapor levanta a tampa, que então cai para ser levantada repetidamente até que o fogo ou a água se esgote e, portanto, a produção de vapor. A invenção das máquinas a vapor pode estar ligada a esta simples observação. Se você substituir a tampa por um pistão em um cilindro, terá um sistema de pistão que pode ser empurrado por vapor ou qualquer outro gás em um curso longo e que é a base de um motor. Os motores a vapor e os motores térmicos nem sempre são construídos com base no princípio do pistão e do cilindro, mas as outras soluções não são muito diferentes. Podemos, portanto, considerar que a experiência da tampa da panela está na origem das invenções de todos esses motores.
• Os homens conheciam a turbina a vapor muito antes do trabalho de Sadi Carnot . Uma das primeiras conquistas foi o eolipyle, que consiste em uma bola de metal girando em um eixo. A água contida na bola é aquecida por baixo: produz dois jatos de vapor tangenciais e opostos que colocam a bola em movimento. Este sistema dificilmente foi melhorado até os tempos modernos. Os motores a jato de hoje ( turbinas a gás ) operam basicamente com o mesmo princípio que este ancestral da turbina .
• A força motriz do fogo foi amplamente desenvolvida para fazer armas. Em uma arma de fogo, o projétil (bala, projétil ou outro) é empurrado para dentro do cano pela expansão muito rápida do gás muito quente produzido pela combustão da pólvora ou de qualquer outro explosivo . O cano forma um cilindro no qual circula o projétil que desempenha o papel de pistão.
• A atmosfera terrestre é posta em movimento pelo calor do Sol  : as diferenças de temperatura na superfície terrestre e na atmosfera criam diferenças de pressão que geram o vento . O poder do vento é, portanto, também uma forma do poder do fogo.

  • O Eolipilo da Garça de Alexandria  : o ancestral das turbinas a vapor.

  • Máquina térmica típica: o calor passa do quente para o frio e o trabalho é produzido.

  • Princípio de uma arma de fogo: a explosão criada pelo disparo da pólvora joga rapidamente a bala no cano.

  • A brisa do mar, criada pela diferença de temperaturas do ar, da terra e do mar, se inverte entre o dia e a noite.

  Sistema termodinâmico típico

  Um sistema termodinâmico típico é um subconjunto do universo composto por um grande número de partículas. Para o estudo deste sistema, a termodinâmica está interessada nas propriedades gerais e não nos comportamentos individuais de cada partícula ou subconjunto de partículas. Portanto, é necessário criar e raciocinar sobre as grandezas macroscópicas, como temperatura , pressão ou entropia , que tornam coerente a descrição macroscópica da matéria .

  As características essenciais de um sistema termodinâmico são definidas da seguinte forma:

  • o sistema é macroscópico: compreende um grande número de partículas (normalmente um número pelo menos próximo ao número de Avogadro );NÃONO{\ displaystyle N _ {\ text {A}}}
  • o sistema é puro ou é uma mistura, dependendo se consiste em partículas idênticas ou não;
  • o sistema é homogêneo ou heterogêneo dependendo se consiste em uma única fase ou não.

  O sistema é ainda definido por suas relações com seu ambiente e pode ser, por exemplo:

  • isolado se não houver transferência com o meio ambiente;
  • fechado se não trocar matéria com o meio ambiente;
  • aberto se não estiver isolado nem fechado.

  Geralmente estudamos sistemas homogêneos fechados para então buscar generalizar os resultados para sistemas mais complexos.

  A definição muito geral de um sistema termodinâmico torna possível projetá-los e estudá-los de todos os tamanhos: tal sistema pode consistir em alguns centímetros cúbicos de gás ou alguns gramas de sólido, mas também pode se estender ao universo. Isto é o que permitiu Clausius meados do XIX °  século para dizer que: "A energia do universo é constante e a entropia do universo tende para um máximo."

  Caracterização de um sistema termodinâmico

  Representação

  Quando se determinam as variáveis ​​que permitem caracterizar o sistema, faz-se a “representação do sistema”.

  Variância

  A variância de um sistema é definida como o número máximo de variáveis ​​independentes intensivas que um experimentador pode fixar sem quebrar o equilíbrio do sistema. Pode ser calculado pela regra de Gibbs .

  Por exemplo, a variância de um gás ideal é 2: o experimentador pode escolher livremente os valores da pressão e da temperatura.

  Variáveis ​​intensivas e extensas

  As variáveis ​​de estado são variáveis ​​que definem o sistema, que simplesmente definem o valor para reconstruir exatamente o mesmo sistema. Dentre essas grandezas físicas, distinguem-se as variáveis ​​extensas e intensivas .

  Uma variável de estado é extensa quando seu valor para todo o sistema é a soma de seus valores para cada uma de suas partes. As grandes quantidades são proporcionais à quantidade de material no sistema. Dizemos também que uma variável extensa é uma variável homogênea de grau 1 com respeito à quantidade de matéria.

  As principais variáveis ​​extensivas utilizadas em termodinâmica são: o volume (anotado e medido em metros cúbicos , símbolo m 3 ), massa ( , em quilogramas , kg), a quantidade de matéria ( , em moles , mol) ou o número de partículas de uma dada espécie (denotada , adimensional), energia interna ( , em joules , J) e entropia ( , em joules por kelvin , J / K), ou a entalpia ( , em joules, J). V{\ displaystyle V}m{\ displaystyle m}não{\ displaystyle n}NÃO{\ displaystyle N}você{\ displaystyle U}S{\ displaystyle S}H{\ displaystyle H}

  Uma variável de estado é intensiva quando em um sistema homogêneo seu valor é o mesmo para todo o sistema e para cada uma de suas partes, independentemente da quantidade de material no sistema. Dizemos também que uma variável intensiva é uma variável homogênea de grau 0 com respeito à quantidade de matéria.

  As principais variáveis ​​intensivas utilizadas em termodinâmica são: pressão ( , medida em pascais , símbolo Pa), temperatura absoluta ( , em kelvins , K), viscosidade (medida em segundos pascal , Pa s), ou mesmo volume de massa ( , em quilogramas por metro cúbico, kg / m 3 ) e energia por unidade de volume ou massa (em joules por metro cúbico ou por quilograma). P{\ displaystyle P}T{\ displaystyle T}ρ{\ displaystyle \ rho}

  Equilíbrio e transformação

  Um sistema está em equilíbrio termodinâmico se estiver simultaneamente em equilíbrio térmico , mecânico e químico .

  O objetivo da termodinâmica é caracterizar a transformação do estado de um sistema entre um tempo inicial e um tempo final, correspondendo a dois estados de equilíbrio.

  Essa transformação pode ter diferentes características, incluindo:

  • isobárico (com pressão constante do sistema);
  • isocórico (em volume constante);
  • isotérmico (a temperatura constante);
  • adiabático (sem troca de calor com o exterior).

  Também pode ser cíclico ou não, reversível ou não, enfim, pode ser repentino ou quase estático .

  As transformações quase estáticas são fundamentais na termodinâmica: a transição do estado inicial para o estado final é feita de forma lenta o suficiente para que as variáveis ​​de estado do sistema possam ser consideradas como evoluindo continuamente e permanecendo homogêneas no sistema durante o processamento. O sistema então se comporta como passando por uma sucessão de estados de equilíbrio muito próximos uns dos outros. É então possível aplicar os vários princípios da termodinâmica a ele e usar as ferramentas do cálculo infinitesimal e das probabilidades , como a lei dos grandes números , para prever sua evolução.

  Este método é tão importante que alguns definem a termodinâmica como a ciência de transformar grandes sistemas em equilíbrio.

  Princípios da termodinâmica

  A termodinâmica é baseada em quatro princípios que complementam o da conservação da massa  :

  • o princípio zero diz respeito ao conceito de equilíbrio térmico  ;
  • o primeiro princípio (princípio da equivalência) relaciona-se com a natureza conservadora da energia  ;
  • o segundo princípio ( princípio de Carnot) afirma a noção de irreversibilidade e o conceito de entropia  ;
  • o terceiro princípio (o princípio de Nernst) está finalmente interessado nas propriedades da matéria na vizinhança do zero absoluto .

  O primeiro e o segundo princípios são fundamentais. Os outros princípios (0 e 3) podem ser deduzidos dos princípios 1 e 2 e das fórmulas da física estatística.

  Primeiro princípio da termodinâmica

  O primeiro princípio da termodinâmica torna possível estudar as transferências e transformações de energia entre um estado inicial (I) e um estado final (F). Ele afirma que a energia total de um sistema isolado é preservada em todas as transformações por que passa esse sistema.

  Estados

  Para qualquer sistema termodinâmico podemos definir, até uma constante, uma função , chamada energia interna e possuindo as seguintes propriedades: você{\ displaystyle U}

  • você{\ displaystyle U}é uma função de estado (depende apenas dos estados inicial e final da transformação). É descrito por variáveis ​​necessárias e suficientes;
  • você{\ displaystyle U} é extenso;
  • você{\ displaystyle U} mantém em um sistema isolado.

  Durante uma transformação infinitesimal entre um estado inicial e um estado final, a variação da energia interna de um sistema fechado verifica: Δvocê{\ displaystyle \ Delta U}

  dEvs+dEp+dvocê=δC+δQ{\ displaystyle \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {c}} + \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {p}} + \ mathrm {d} U = \ delta W + \ delta Q}

  ou :

  • dEvs{\ displaystyle \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {c}}}denota a mudança na energia cinética  ;
  • dEp{\ displaystyle \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {p}}}a variação da energia potencial externa;
  • δC{\ displaystyle \ delta W} o trabalho das forças do ambiente externo sobre o sistema (a derivada é parcial visto que existem vários caminhos possíveis);
  • δQ{\ displaystyle \ delta Q} a quantidade de calor recebida do ambiente externo ao sistema (a derivada é parcial, pois existem vários caminhos possíveis).
  Explicação do primeiro princípio

  O primeiro princípio da termodinâmica , ou princípio da conservação da energia, afirma que a energia é sempre conservada. Em outras palavras, a energia total de um sistema isolado permanece constante. Os eventos que ocorrem lá resultam apenas na transformação de certas formas de energia em outras formas de energia. A energia não pode, portanto, ser produzida ex nihilo  ; é em quantidade invariável na natureza. Só pode ser transmitido de um sistema para outro. Não criamos energia, nós a transformamos.

  Este princípio também é uma lei geral para todas as teorias físicas (mecânica, eletromagnetismo, física nuclear ...). Nunca encontramos a menor exceção e sabemos pelo teorema de Noether que a conservação da energia está intimamente relacionada a uma uniformidade da estrutura do espaço-tempo. Junta-se a um princípio promovido por Lavoisier  : "  Nada se perde, nada se cria, tudo se transforma  ".

  Segundo princípio da termodinâmica

  O primeiro princípio proíbe qualquer transformação geradora de energia, mas autoriza todas as outras, em particular todas as que são reversíveis e respeitam a conservação de energia. No entanto, em muitos casos, os experimentadores puderam observar que certas transformações não eram reversíveis: por exemplo, uma gota de tinta diluída em água nunca mais se tornará uma gota de tinta. Para explicar essa irreversibilidade, outro princípio é necessário: é o segundo princípio da termodinâmica que define uma nova variável de estado, a entropia .

  Estados

  Existe uma função chamada entropia, como: S{\ displaystyle S}

  • S{\ displaystyle S} é extenso;
  • S{\ displaystyle S} é uma função de estado em equilíbrio
  • durante a evolução de um sistema fechado, a entropia do sistema satisfaz a seguinte desigualdade nos pontos de troca:
  dS≥(δQT)xj{\ displaystyle \ mathrm {d} S \ geq \ left ({\ frac {\ delta Q} {T}} \ right) _ {x_ {j}}}

  ou :

  • dS{\ displaystyle \ mathrm {d} S} denota a mudança na entropia (J / K);
  • δQ{\ displaystyle \ delta Q} o calor recebido (J);
  • T{\ displaystyle T} temperatura (K);
  • xj{\ displaystyle x_ {j}} o (s) ponto (s) de troca.

  Nota: quando a entropia máxima é atingida, a temperatura é a mesma em todo o sistema.

  Explicação do segundo princípio

  O segundo princípio da termodinâmica , ou princípio da evolução dos sistemas, afirma a degradação da energia: a energia de um sistema passa necessária e espontaneamente das formas concentradas e potenciais para as formas difusas e cinéticas (fricção, calor,  etc. ). Ele então introduz a noção de irreversibilidade de uma transformação e a noção de entropia. Ele afirma que a entropia de um sistema isolado aumenta, ou permanece constante.

  Este princípio é frequentemente interpretado como uma "medida da desordem" e como a impossibilidade de passar da "desordem" à "ordem" sem intervenção externa. Esta interpretação é baseada na teoria da informação de Claude Shannon e na extensão dessa "informação" ou entropia de Shannon . Este princípio tem uma origem estatística  : ao contrário do primeiro princípio, as leis microscópicas que governam a matéria apenas o contêm implícita e estatisticamente.

  O segundo princípio tem muitas interpretações e implicações que levaram, ao longo dos anos e descobertas, a mais de 20 formulações diferentes.

  Princípio zero da termodinâmica

  Estados

  Se dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles também estão juntos em equilíbrio térmico.

  Explicação do princípio zero

  O princípio zero da termodinâmica diz respeito à temperatura e à noção de equilíbrio térmico. Está na base da termometria : afirma que a temperatura é uma quantidade detectável e, que, conseqüentemente, é possível medi-la por comparação, portanto, projetar termômetros .

  Terceiro princípio da termodinâmica

  Estados

  O terceiro princípio afirma que a entropia S de um sistema termodinâmico em equilíbrio interno se aproxima de uma constante universal S0 quando a temperatura absoluta T se aproxima de zero. Alternativamente, podemos dizer que S → S0 em um estado para o qual a quantidade tende a 0, onde {e} representa os membros restantes de um conjunto completo de variáveis ​​extensivas. Por convenção, e de acordo com a mecânica estatística, o valor desta constante universal S → S0 é considerado zero. Visto que a entropia é uma função da temperatura que aumenta monotonicamente, esta convenção implica que a entropia é uma quantidade positiva. (∂você/∂S)e{\ displaystyle {\ biggl (} \ partial U / \ partial S {\ biggr)} _ {e}}

  Explicação do terceiro princípio

  O terceiro princípio da termodinâmica está associado à descida em direção ao seu estado quântico fundamental de um sistema cuja temperatura se aproxima de um limite que define a noção de zero absoluto . Na termodinâmica clássica este princípio é utilizado, para o estabelecimento de tabelas de dados termodinâmicos, para o cálculo da entropia molar S de uma substância pura (por integração na temperatura, de S = 0 a 0  K ).

  Definição axiomática de termodinâmica

  A termodinâmica pode ser definida matematicamente com precisão por um conjunto de 4 axiomas (ou postulados ). Esta definição, denominada axiomática, dá uma base matemática sólida aos princípios da termodinâmica e justifica o uso em termodinâmica dos métodos de cálculo diferencial e cálculo integral.

  Postulado 1

  Os estados de equilíbrio macroscópico de qualquer sistema termodinâmico são completamente caracterizados pela especificação da energia interna do sistema e um número finito de parâmetros extensos . você{\ displaystyle U}X0,X1,X2,...,Xnão{\ displaystyle X_ {0}, X_ {1}, X_ {2}, ..., X_ {n}}

  Este postulado permite afirmar a existência da variável de estado "energia interna", que é possível representar qualquer sistema indicado acima, e que qualquer sistema possui uma variância finita. É um dos fundamentos do primeiro princípio da termodinâmica.

  Postulado 2

  Existe uma função chamada entropia . A entropia é uma função dos parâmetros extensivos, é definida para todos os estados de equilíbrio e tem a seguinte propriedade: os valores assumidos dos parâmetros extensivos na ausência de restrições externas são aqueles que maximizam a entropia nos estados de equilíbrio com restrições múltiplas . S{\ displaystyle S}

  Este postulado é um dos fundamentos do segundo princípio da termodinâmica.

  Postulado 3

  Quando a entropia de cada subsistema constituinte é uma função homogênea de primeira ordem dos parâmetros extensivos, a entropia do sistema geral é a soma das entropias dos subsistemas constituintes. A entropia é então contínua e diferenciável e é uma função monotonicamente crescente da energia.

  Este postulado é um dos fundamentos do segundo princípio da termodinâmica.

  Postulado 4

  A entropia de qualquer sistema desaparece no estado para o qual:

  T≡(∂você/∂S)X1,X2,...=0{\ displaystyle T \ equiv {\ biggl (} \ partial U / \ partial S {\ biggr)} _ {X_ {1}, X_ {2}, ...} = 0}

  Este postulado é o fundamento do segundo princípio e permite encontrar o terceiro.

  Notas e referências

  1. termodinâmica está notavelmente na origem da termoquímica .
  2. termodinâmica é usada na explicação do " Big Bang " e da evolução do universo .
  3. Heat , Encyclopædia Universalis .
  4. Laplace e Lavoisier, “  Memory on heat  ” , em lavoisier.cnrs.fr ,1780(acessado em março de 2021 ) .
  5. (em) Albert Einstein, Notes for an Autobiography , The Saturday Review of Literature,1949( leia online ) , p.  12
  6. Não era até o início do XX °  século com o trabalho de Albert Einstein (1905) e Jean Perrin (1909), que são cientificamente explicado a origem e as principais propriedades do movimento browniano.
  7. Essas fórmulas são válidas se apenas os choques influenciam as moléculas e as demais interações são desprezíveis. Isso pressupõe uma pressão relativamente baixa, normalmente inferior a 10 atmosferas.
  8. Bonnefoy 2016 , p.  3-6.
  9. Sadi Carnot, Reflexões sobre a força motriz do fogo , Paris, Bachelier,1824( leia online ).
  10. Em vez de "força motriz", dizemos hoje que as máquinas térmicas fornecem trabalho e nos perguntamos como usar o calor para produzir trabalho contínuo.
  11. Os quatro estágios do ciclo de Carnot são: compressão isotérmica, compressão adiabática, expansão isotérmica, expansão adiabática.
  12. Cleynen 2015 , p.  161-165.
  13. Cleynen 2015 , p.  155-157.
  14. Cleynen 2015 , p.  157-161.
  15. Cleynen 2015 , p.  250-270.
  16. Cleynen 2015 , p.  281-314.
  17. Os canhões de ar funcionam de maneira semelhante: é a rápida expansão do gás que impulsiona o projétil para dentro do cano.
  18. Bonnefoy 2016 , p.  3
  19. Brunet, Hocquet e Leyronas 2019 , p.  9-10.
  20. Bobroff 2009 , p.  9
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  22. Ribière 2010 , p.  7
  23. Bonnefoy 2016 , p.  10
  24. Mais geralmente, qualquer variável que é a razão entre duas variáveis ​​extensivas é uma variável intensiva.
  25. Algumas grandezas físicas imagináveis ​​e mensuráveis ​​não são extensas nem intensivas: é o caso, por exemplo, do quadrado do volume de um conjunto de partículas.
  26. Brunet 2019 , p.  12-13.
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  31. Ribière 2010 , p.  16-17.
  32. Isso é verdade desde que não haja um fenômeno de equivalência massa-energia E = mc 2 ou mesmo dizendo que massa é energia.
  33. Bobroff 2009 , p.  18
  34. Bobroff 2009 , p.  29-30.
  35. Bobroff 2009 , p.  41-43.
  36. Bonnefoy 2016 , p.  15-16.
  37. Leborgne 2019 , p.  3-15.
  38. Leborgne 2019 , p.  16-17.
  39. Leborgne 2019 , p.  23-25.

  Veja também

  Artigos relacionados

  • História da termodinâmica clássica
  • História da termodinâmica e física estatística
  • Cronologia da termodinâmica e física estatística
  • Teoria cinética dos gases
  • Ciclo termodinâmico
  • Transferência térmica
  • Diagrama de fase
  • Entropia
  • Neguentropia
  • Processo isobárico e processo monobárico
  • Processo adiabático
  • Termoquímica

  links externos

  • Registros de autoridade  :
    • Biblioteca Nacional da França ( dados )
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    • Biblioteca Nacional de Dieta
  • Avisos em dicionários gerais ou enciclopédias  : Enciclopedia De Agostini  • Encyclopædia Britannica  • Encyclopædia Universalis  • Enciclopédia Treccani  • Gran Enciclopèdia Catalana

  Bibliografia

  Origens

  • Brunet, Hocquet e Leyronas, "  Cours de thermodynamique  " [PDF] , em ENS ,2019(acessado em março de 2021 ) . 
  • Philippe Ribière, “  Preparação EPNER: termodinâmica  ” [PDF] , EPNER , 13 a 14 de setembro de 2010 . 
  • Olivier Bonnefoy, Termodinâmica , Saint Etienne,2016( leia online )
  • Julien Boubroff, Termodinâmica Clássica , Orsay,2009, 164  p. ( leia online )
  • Olivier Cleynen, Engineering Thermodynamics , Framabook,2015, 355  p. ( ISBN  979-10-92674-08-8 , leia online )
  • Gilles Leborgne, Termodinâmica e formas diferenciais , Clermont-Ferrand, ISIMA,2019, 32  p. ( leia online )

  Popularização

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  • Philippe Depondt , Entropy e tudo isso: o romance da termodinâmica , Paris, Cassini, col.  "Sal e Ferro",2001, 311  p. ( ISBN  978-2-84225-044-7 ).
  • PW Atkins ( trad.  F. Gallet), Calor e desordem: o segundo princípio da termodinâmica , Paris, Pour la Science Diffusion Belin, col.  "Universo de Ciências",1987, 214  p. ( ISBN  978-2-902918-40-9 , OCLC  20448357 ). Do famoso professor de Química-Física da Universidade de Oxford, uma obra de popularização da termodinâmica do ponto de vista macroscópico e microscópico. Graduação de nível .

  Livros de referência

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  • . Georges Bruhat , A. Kastler , R. Vichnievsky et al. , Curso de Física Geral: para o uso do ensino superior científico e técnico , Paris, Masson,1968, 6 th  ed. , 887  p..O autor, que morreu deportado durante a Segunda Guerra Mundial , era diretor do laboratório de física da École normale supérieure, na rue d'Ulm . O seu curso, que se tornou um “clássico”, está acessível desde o primeiro ciclo da universidade. Esta 6 ª  edição foi revista e ampliada por Alfred Kastler , Prêmio Nobel de Física 1966 por seu trabalho em física atômica.
  • Yves Rocard , Termodinâmica , Paris, Masson,1967, 2 nd  ed. ( 1 st  ed. 1952), 551  p. ( OCLC  6501602 , leia online ). Este outro curso de referência, que também se tornou um “clássico”, está acessível desde o primeiro ciclo universitário.
  • Prigogine e Isabelle Stengers, A nova aliança: metamorfose da ciência , Paris, Gallimard , coll.  "Folio / ensaios" ( N O  26),1986, 439  p. ( ISBN  978-2-07-032324-1 e 2-070-32324-2 , OCLC  300154208 , aviso BnF n o  FRBNF34875644 ) , p.  400. História do nascimento da termodinâmica e os conceitos de entropia e irreversibilidade em física.

  Introdução à física estatística

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  • Bernard Jancovici, Termodinâmica e física estatística , Ediscience, 1969, 186 p, republicado (sem os exercícios) pela Nathan University em sua coleção “128 Sciences” (1996), 128 p.O autor, professor de física teórica na Universidade de Paris Sud-Orsay, há muito leciona física estatística na ENS Ulm (MIP e DEA em física teórica). Este pequeno livro é um curso introdutório à termodinâmica por meio da física estatística elementar. Nível universitário de graduação.
  • (pt) Percy W. Bridgman , The Nature of Thermodynamics , Harvard University Press, 1941, 230 p.Reflexões sobre o significado dos dois princípios da termodinâmica. O autor recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1946 por seu trabalho sobre altas pressões. Este livro contém algumas equações, acessíveis no nível de graduação.
  • (pt) Mark W. Zemansky e Richard H. Dittman, Calor e termodinâmica: um livro-texto intermediário , Auckland Cingapura, McGraw-Hill,Mil novecentos e oitenta e um, 6 th  ed. ( 1 st  ed. 1937), 544  p. ( ISBN  978-0-07-066647-4 , OCLC  450205456 ). A primeira metade deste volume, acessível na graduação, é um curso de termodinâmica macroscópica de acordo com uma abordagem experimental: o ponto de partida é o conceito de temperatura usual. A segunda metade do livro, dedicada à abordagem da termodinâmica por meio da física estatística, é bastante voltada para a pós-graduação. Este livro é uma mina de aplicações.
  • (pt) Herbert B. Callen, Termodinâmica e uma introdução à termostatística , Nova York, John Wiley & Sons ,1985, 2 nd  ed. , 493  p. ( ISBN  978-0-471-86256-7 e 978-0-471-61056-4 , OCLC  11916089 , leia online ). Este livro é o companheiro ideal para o trabalho anterior. Na verdade, a primeira parte deste volume é um curso de termodinâmica macroscópica de acordo com uma abordagem axiomática: os postulados são apresentados no primeiro capítulo, o conceito de temperatura é deduzido dele no capítulo seguinte. Esta primeira parte do trabalho está acessível na graduação. A segunda parte do livro é dedicada à abordagem da termodinâmica por meio da física estatística. Esta parte é mais para o nível de pós-graduação.
  • (en) Ryogo Kubo, Thermodynamics , John Wiley & Sons, 1960.Trabalho clássico de termodinâmica, nível de pós-graduação.
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  Nível universitário de segundo ciclo

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  • Roger Balian , Do microscópico ao macroscópico: curso de física estatística na École polytechnique , Palaiseau de Paris, École polytechnique Ellipses,1982, 639  p. , 2 vol. ( ISBN  978-2-7298-9000-1 e 978-2-729-89001-8 ). Um curso de física estatística, que se baseia em conhecimentos prévios de mecânica quântica. Uma versão revisada e estendida, incluindo capítulos sobre termodinâmica e cinética de não equilíbrio, foi publicada em inglês em dois volumes sob o título From microfysics to macrophysics: methods and applications of statistics physics (Springer Verlag, 2007).
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  • (pt) Ryōgo Kubo , Hiroshi Ichimura, Tsunemaru Usui e Natsuki Hashitsume, Mecânica estatística: um curso avançado com problemas e soluções , Amsterdam New York, North Holland, col.  "Biblioteca pessoal",1988( 1 st  ed. 1965), 425  p. ( ISBN  978-0-444-87103-9 ). Trabalho clássico em física estatística.
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  • (pt) Peter M. Harman, Energy, Force & Matter - The Conceptual Developpments of 19th Century Physics , Cambridge University Press , 1982.História do desenvolvimento da física no XIX th  século por um professor de história da ciência da Universidade de Lancaster .
  • (pt) Peter M. Harman, The Natural Philosophy of James-Clerk Maxwell , Cambridge University Press , 1998, 232 p. ( ISBN  0-521-00585-X ) .A filosofia natural de Maxwell , fundador da teoria da eletrodinâmica e autor de importantes contribuições para a teoria cinética dos gases.
  • Robert Locqueneux, pré-história e história da termodinâmica (uma história do calor) , Livros históricos e filosofia da ciência , n o  45, Sociedade Francesa para a História da Ciência e Tecnologia,Dezembro de 1996, 333 p. ( ISSN  0221-3664 ) .Testar teorias de calor para o XVIII th e XIX th  séculos.
  • Jean-Pierre Maury, Carnot e a máquina a vapor , Paris, PUF , col.  "Filosofias",1986, 127  p. ( ISBN  978-2-13-039880-6 , OCLC  416641388 , aviso BnF n o  FRBNF34905835 ). História do desenvolvimento de motores a vapor desde o nascimento no XVII º  século para o trabalho teórico de Carnot ( Reflexões sobre a força motriz de Fogo , 1824).