Introdução à Termodinâmica

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Nosso Universo vive não ao capricho daqueles que nele "habitam", mas sim através de leis naturais inexoráveis.
Na Terra, esse fato é até ‘providencial’, sendo como são os seres humanos. O homem prega a democracia contra a ditadura das leis naturais. 
A Ciência pode ser definida como o estudo da natureza e, pretensiosamente, o estabelecimento das leis que governam o universo.

Ciência é conhecimento --- conhecimento nas mentes humanas. O conhecimento científico não afirma que o universo seja do modo como é descrito, tudo que aprendemos são apenas modelos - que, no geral, funcionam.

As águas de um rio fazem aquilo que observamos. Fim!
Não fique tentado a dizer "correm", "escoam", "movimentam-se" etc., pois esses nomes são modelos postos pelo homem, assim como "velocidade", "aceleração", "massa", "densidade" etc. As águas nada têm a ver com isso! 
Independentemente do que as águas realmente fazem (não tente descrever, pois irá colocar apenas novos modelos humanos), os modelos postos cientificamente exploram tudo daquilo que as águas fazem (como um "parasitismo natural") e podemos até reproduzir tais comportamentos, pois tais modelos são "matematicamente" (outra bela coletânea de modelos humanos) estruturados.

Para compreendermos bem isso que apresento, considere o problema a seguir. Atente que as águas nem terão "conhecimento" daquilo que faremos com elas, pois elas apenas "fazem aquilo que fazem".

Suponha uma casa sobre certa elevação, e um ribeiro correndo por uma ravina, quatro metros abaixo.

Podemos dar um jeito tal que o ribeiro forneça água de que a casa precisa, utilizando a 'força' do próprio curso d'água?

Resposta: Sim.
Se construirmos uma represa (A) e instalarmos uma roda hidráulica (B), que com a rotação produzida aciona a bomba (C), essa levará a água morro acima, até a casa. Muito simples, usamos modelos científicos.

Mas, se os donos da casa se tornarem muito ambiciosos e experimentarem bombear toda a água do ribeiro, irão ter aborrecimentos. A quantidade de água que eles estão captando é elevada a 4 metros pelo resto da água que, na roda hidráulica, cai 1 metro. Se toda a torrente fosse levada para a casa, nada sobraria para acionar a roda e fazer funcionar a bomba!

Qual a máxima parcela das águas do ribeiro que pode ser levada á casa? 

A natureza não permite 'parasitismo' total! Vejamos o que dizem nossos modelos científicos. Segundo eles,
o máximo que podemos fazer é conciliar as coisas de tal modo que a energia potencial, liberada pelas águas que giram a roda, seja igual à energia potencial necessária para elevar a água até a casa.
Observe, até o momento, quantos modelos físicos já foram usados; e tem mais, pois ainda nem usamos dos modelos matemáticos! Vamos a eles!

Chamemos de X à porção de água que se pode retirar do ribeiro, sendo toda água deste igual a 1 (X é uma fração). Devemos ter:

X . 4 = (1 - X). 1

ou

X = 1/5

Deste modo, o máximo de água que podemos levar á casa, por sua própria 'força', é um quinto da torrente.
Qualquer exigência superior a esta, contraria os modelos físicos (que se adaptaram ao que as águas podem fazer!). Percebe, não é a água que obedece aos modelos; esses é que são consistentes com o que as águas fazem ou podem fazer.
A situação é extremamente conforme com os engenhos a vapor.

Que é uma máquina térmica (ou máquina de calor) e qual é sua importância em nossa vida cotidiana? 

Sem máquinas térmicas não teríamos nenhuma força motriz para os automóveis, caminhões etc., pois motores a gasolina, álcool e diesel são máquinas térmicas. Todos os motores de combustão interna são máquinas que liberam calor. Aviões a jato são máquinas de calor. A potência nuclear é simplesmente usada como fonte de calor em turbinas a vapor, a fim de produzirem eletricidade. Examinando-se, cuidadosamente, a imensa maioria dos engenhos de que utilizamos, percebemos que são máquinas de calor.
Vivemos, primordialmente, às custas da mais "vagabunda" das castas das energias do universo --- a energia térmica.

Assim como nossa roda e bomba hidráulica, da exposição inicial, não podem levar toda a água do ribeiro para a casa, as máquinas térmicas não permitem o uso integral do calor, convertendo-o em energia mecânica útil.

 Rendimento de Carnot = (T₁ - T₂) / T₁

"A maior fração do calor inicial, 'baixando-o' da temperatura T1 para a temperatura T2, que pode ser transformada em energia mecânica é, no máximo, igual à razão entre a diferença das temperaturas e a temperatura mais elevada, tomando-se como origem o zero absoluto de temperaturas."