Graduação
  1. Mecânica clássica  1.1. dinâmica  1.1.1. Movimento em uma dimensão  1.1.2. Movimento em duas dimensões  1.1.3. movimento de projétil  1.1.4. Velocidade relativa  1.1.5. Movimento circular uniforme  1.1.6. Movimento circular não uniforme  1.1.7. Sistemas de referência e transformações  1.2. Leis de Newton do Movimento  1.2.1. Primeira lei do movimento  1.2.2. Segunda lei do movimento  1.2.3. Terceira Lei do Movimento  1.2.4. Aplicações das Leis de Newton  1.2.5. Atrito e seus tipos  1.2.6. Diagrama de Corpo Livre  1.2.7. Restrições e pseudo-forças  1.3. Trabalho e Energia  1.3.1. trabalho realizado pela força  1.3.2. Teorema trabalho–energia  1.3.3. Energia Cinética  1.3.4. Energia potencial na mecânica clássica  1.3.5. Forças conservativas e não conservativas  1.3.6. Conservação de Energia  1.3.7. Potência e eficiência  1.4. Velocidade e colisões  1.4.1. Momento linear  1.4.2. Conservação do Momento  1.4.3. Impulso e força de impacto  1.4.4. Colisão elástica e inelástica  1.4.5. Centro de massa e velocidade  1.4.6. Propulsão de Foguetes  1.5. Movimento rotacional  1.5.1. Torque e Momento Angular  1.5.2. Momento de inércia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energia Rotacional  1.5.5. Movimento de Rolamento  1.5.6. Precessão e movimento giroscópico  1.6. Força gravitacional  1.6.1. Lei da gravitação universal de Newton  1.6.2. Energia potencial gravitacional  1.6.3. Mecânica orbital  1.6.4. Leis do movimento planetário de Kepler  1.6.5. Campo gravitacional e potencial  1.7. Fluid mechanics  1.7.1. Pressão e Princípio de Pascal  1.7.2. Flutuabilidade e o Princípio de Arquimedes  1.7.3. Dinâmica dos Fluidos e Princípio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidade e Lei de Poiseuille  1.7.5. Tensão superficial e capilaridade  1.8. Oscilações e ondas  1.8.1. Movimento Harmônico Simples  1.8.2. Oscilações amortecidas e forçadas  1.8.3. Oscilações acopladas e modos comuns  1.8.4. Propriedades e tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras e o Efeito Doppler  1.8.6. Interferência de ondas e superposição
  2. Eletromagnetismo  2.1. Eletrostática  2.1.1. Carga elétrica e propriedades  2.1.2. Lei de Coulomb  2.1.3. Campo elétrico e potencial elétrico  2.1.4. Lei de Gauss  2.1.5. Capacitância e Dielétrico  2.1.6. Dipolo elétrico e energia potencial  2.2. Circuitos Elétricos  2.2.1. Corrente e Resistência  2.2.2. Lei de Ohm  2.2.3. Leis de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuits de CA e Reatância  2.2.6. Energia e potência elétrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos e Forças Magnéticas  2.3.2. Lei de Ampère  2.3.3. Momento de dipolo magnético  2.3.4. Lei de Biot-Savart  2.3.5. Materiais Magnéticos e Histerese  2.4. Indução eletromagnética  2.4.1. Lei de Faraday  2.4.2. Lei de Lenz  2.4.3. Autoindução e indução mútua  2.4.4. Transformadores e circuitos indutivos  2.5. Equações de Maxwell  2.5.1. Lei de Gauss para eletricidade  2.5.2. Lei de Gauss para o magnetismo  2.5.3. Lei da indução de Faraday  2.5.4. Lei de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas eletromagnéticas
  3. Termodinâmica  3.1. Leis da Termodinâmica  3.1.1. Lei Zero da Termodinâmica  3.1.2. Primeira lei da termodinâmica  3.1.3. Segunda Lei  3.1.4. Terceira Lei  3.2. Calor e trabalho  3.2.1. Transferência de calor (condução, convecção, radiação)  3.2.2. Expansão térmica  3.2.3. Motores térmicos e refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot e eficiência  3.3. Mecânica estatística  3.3.1. Distribuição de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropia e Probabilidade  3.3.3. Função de partição  3.3.4. Estatísticas de Fermi–Dirac e Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexão e Refração  4.1.2. Espelhos e lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. Princípio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferência em óptica de ondas  4.2.2. Difração  4.2.3. Polarização  4.2.4. Coerência e holografia
  5. Mecânica quântica  5.1. Dualidade onda-partícula  5.1.1. Radiação de corpo negro na dualidade onda-partícula em mecânica quântica  5.1.2. Efeito Fotoelétrico  5.1.3. Espalhamento Compton  5.1.4. Comprimento de onda de De Broglie  5.2. Equação de Schrödinger  5.2.1. Equação de Schrödinger independente do tempo  5.2.2. Partícula em uma caixa  5.2.3. Túnel Quântico  5.2.4. Poços e barreiras de potencial  5.3. Estados Quânticos  5.3.1. Função de onda  5.3.2. Operadores quânticos  5.3.3. Princípio da incerteza de Heisenberg  5.3.4. Momento angular e spin
  6. Relatividade  6.1. Relatividade especial  6.1.1. Transformações de Lorentz  6.1.2. Expansão do tempo e contração do comprimento  6.1.3. Energia relativística e momento  6.2. Relatividade Geral  6.2.1. Princípio da Equivalência  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionais  6.2.4. Buracos negros e horizontes de eventos
  7. Física do estado sólido  7.1. Estrutura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difração de raios X  7.1.3. Teoria das bandas  7.1.4. Fónons e vibrações da rede  7.2. Propriedades Elétricas e Magnéticas  7.2.1. Condutores, Semicondutores e Isolantes  7.2.2. Supercondutividade  7.2.3. Efeito Hall
  8. Física nuclear e de partículas  8.1. Estrutura Atômica  8.1.1. Modelo Atômico  8.1.2. Energia de ligação nuclear  8.2. Radioatividade  8.2.1. Decaimento alfa, beta, gama  8.2.2. Meia-vida  8.2.3. Fissão e Fusão Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Padrão  8.3.2. Quarks e Léptons  8.3.3. antimatéria  8.3.4. Interações fundamentais
  9. Astrofísica e cosmologia  9.1. Evolução estelar  9.1.1. Formação estelar  9.1.2. Buracos negros e estrelas de nêutrons  9.1.3. Anãs brancas e supernovas  9.2. Cosmologia  9.2.1. The Big Bang Theory  9.2.2. Matéria escura e energia escura  9.2.3. Fundo cósmico de micro-ondas

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Leis da Termodinâmica


A termodinâmica é um ramo essencial da física que lida com a relação entre o calor e outras formas de energia, como energia mecânica, elétrica ou química. No seu núcleo, a termodinâmica descreve como as diferentes formas de energia são transferidas dentro de um sistema fechado ou entre diferentes sistemas. As leis da termodinâmica definem esses processos e estabelecem limites sobre como a energia pode ser transformada e utilizada. Existem quatro leis fundamentais da termodinâmica, frequentemente numeradas de zero a três, cada uma das quais descreve princípios importantes para a compreensão das interações energéticas na física e na engenharia.

Lei zero da termodinâmica

A lei zero da termodinâmica estabelece o conceito de temperatura como uma propriedade fundamental e mensurável dos sistemas termodinâmicos. De acordo com esta lei:

Se dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terceiro sistema, eles também estarão em equilíbrio térmico entre si.

Essa lei serve como base primária para o conceito de temperatura e sua medição. Se o sistema A está em equilíbrio com o sistema C, e o sistema B também está em equilíbrio com o sistema C, então significa que os sistemas A e B estão em equilíbrio entre si.

A ≈ C
B ≈ C
=> A ≈ B

Por exemplo, considere duas xícaras de chá. Se ambas têm a mesma temperatura de um termômetro, então devem ter a mesma temperatura entre si. A lei zero permite a definição de uma escala de temperatura, tornando possível medir e comparar temperaturas.

Exemplo: Identificando o equilíbrio térmico

Imagine que você tem três recipientes preenchidos com substâncias diferentes: água, óleo e ar. Usamos um termômetro (nosso terceiro sistema) para medir a temperatura de cada um. Se o termômetro indicar a mesma temperatura para os três, então, de acordo com a lei zero, as três substâncias estão em equilíbrio térmico entre si.

Sistema A Sistema B Sistema C Chá

Primeira lei da termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica é frequentemente chamada de lei da conservação da energia. Ela afirma:

A energia total de um sistema isolado é constante. A energia não pode ser criada nem destruída, mas pode apenas ser convertida de uma forma para outra.

Em expressão matemática, isso pode ser escrito como:

ΔU = Q – W
  • ΔU é a mudança na energia interna do sistema.
  • Q é o calor adicionado ao sistema.
  • W é o trabalho realizado pelo sistema em seu ambiente.

A primeira lei implica que qualquer aumento na energia interna de um sistema é resultado do calor adicionado ao sistema ou do trabalho realizado no sistema.

Exemplo: Aquecimento e expansão de um gás

Considere um pistão cheio de gás. Quando o gás é aquecido, ele se expande, empurrando o pistão para fora. Aqui:

  • O calor adicionado (Q) faz com que as moléculas de gás se movam mais rápido, aumentando a energia interna (ΔU).
  • Esse sistema realiza trabalho (W) sobre o ambiente ao empurrar o pistão para fora.
Por quê Gás Trabalho

Neste cenário, se você medir a quantidade de calor adicionado Q e o trabalho realizado W, pode determinar a mudança na energia interna ΔU do gás usando a primeira lei.

Segunda lei da termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica introduz o conceito de entropia, que é frequentemente interpretado como uma medida de desordem ou aleatoriedade em um sistema. Esta lei afirma:

A entropia total de um sistema isolado nunca pode diminuir com o tempo. Ela pode permanecer constante para processos reversíveis, mas aumenta para processos irreversíveis.

Em resumo, esta lei implica que os processos naturais tendem a um estado de máxima desordem ou entropia. Isso tem profundas implicações para a direção da transferência de calor e a eficiência dos motores.

Motores térmicos e eficiência

Considere um motor térmico operando entre dois reservatórios: um reservatório quente e um reservatório frio. De acordo com a segunda lei, o motor nunca pode converter todo o calor (Q_h) absorvido do reservatório quente em trabalho (W). Alguma energia inevitavelmente vai para o reservatório frio como calor desperdiçado (Q_c).

η = 1 - (Q_c / Q_h)
  • η é a eficiência do motor térmico.
  • Q_c é o calor expelido no armazenamento frio.
  • Q_h é o calor absorvido do armazenamento quente.

Nenhum motor operando entre dois reservatórios de calor pode ser mais eficiente do que o motor de Carnot, que opera de maneira completamente reversível.

Quente Frio Motor q_h q_c W

Exemplo: Entropia no mundo real

Imagine que você tem uma xícara de café quente deixada à temperatura ambiente. Com o tempo, o café esfria à medida que o calor flui do café para o ar. Este processo é irreversível, o que significa que você não pode devolver o calor do ar para o café naturalmente sem trabalho externo. Este processo envolve um aumento na entropia, à medida que mais energia é dispersa no ambiente.

Terceira lei da termodinâmica

A terceira lei da termodinâmica refere-se às propriedades dos sistemas na temperatura zero absoluto. Ela afirma:

À medida que a temperatura de um sistema se aproxima do zero absoluto, a entropia de uma estrutura cristalina perfeita se aproxima de zero.

Esta lei implica que é impossível atingir o zero absoluto por qualquer número finito de processos e todos os processos em um sistema cessam no zero absoluto porque a entropia é mínima e todos os movimentos moleculares param. O zero absoluto é teoricamente a temperatura mais baixa possível, onde a energia térmica do sistema é mínima.

Exemplo: Resfriamento para perto do zero absoluto

Laboratórios de pesquisa usam vários métodos, como resfriamento a laser e refrigeração por diluição, para atingir temperaturas apenas um grau acima do zero absoluto. Embora o zero absoluto verdadeiro seja impossível de alcançar, os cientistas podem aproximá-lo muito de perto e observar efeitos mecânicos quânticos únicos.

Quase zero absoluto T ≈ 0

Compreender essas leis fundamentais da termodinâmica é crucial para explicar e prever como os sistemas energéticos se comportam. Esses conceitos abrem uma ampla gama de aplicações, desde geração de energia e refrigeração até entender o destino final do universo.


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