Um dos principais conceitos que a termodinâmica lida, é com o conceito de temperatura. Nós convivemos com esse conceito desde criancinha, desde que possivelmente ficamos com febre pela primeira vez. No entanto, diferente do que se pensa, o conceito de temperatura não é um conceito simples, e vamos demorar um certo tempo para construir esse conceito de forma mais consistente, ou seja, de maneira mais científica. Inicialmente vamos começar com uma ideia muito simples do que é temperatura e vamos construir tudo o que esse conceito quer representar, logo, temperatura é um termo de grande relevância, afinal, a termodinâmica lida com o conceito de temperatura.
É evidente que o que nos vem primeiramente a cabeça quando mencionamos o termo temperatura, é o calor! Calor também é um termo específico da termodinâmica. Existem cientistas que propõem que a palavra "calor" seja eliminado da física, porque esse substantivo dá margem a muitas dificuldades de interpretação. Então, nesses breves comentários que eu fiz, podemos dizer do que se compõe a termodinâmica.
O termo "termodinâmica", junta "termo" que quer dizer temperatura ou calor, e "dinâmica" que em geral tem a ver com movimento. No entanto a termodinâmica não trata de movimento! A termodinâmica trata de interações que são mediadas por calor ou trabalho. Por interações ocorrem trocas de energias entre sistemas macroscópicos que podem eventualmente levar a mudanças de fases. Mas a termodinâmica não se preocupa e não consegue prever tempo em que isto ocorre. O que confronta a compreensão mais imediata do conceito de dinâmica. Dito de outra maneira, há pouca dinâmica na termodinâmica.
A termodinâmica nasce no século XIX e ela não faz nenhuma referência a nenhum modelo microscópico, ela é uma teoria dita fenomenológica, ela se apoia diretamente nos fenômenos, ela não pressupõe nenhuma modelo para a matéria. Isso é um de suas forças! Einstein diz que as teorias físicas em geral, elas podem ter uma "vida" e depois morrerem, ou seja, serem substituídas por outras, e se ele pudesse escolher um teorias que nunca será substituída, é a termodinâmica que ele escolheria. A termodinâmica não pressupõe nenhum modelo, ela é derivada imediatamente de resultados experimentais.
A termodinâmica pode ser sintetizada num conjunto de Leis (assim como a mecânica, eletromagnetismo). Mas diferentemente dessas disciplinas, essas leis da termodinâmica não são em geral um guia que sirva para resolver problemas de termodinâmica. Nós vamos precisar desenvolver raciocínios que não são usuais nas outras disciplinas. Por exemplo, na mecânica, aprendemos que a segunda lei de Newton é a equação de movimento, portanto, se temos um sistema física cuja massa conhecemos e as forças que agem sobre o sistema, então a segunda lei de Newton te dá exatamente qual a aceleração que esse sistema vai ter, e a partir da aceleração tiramos a equação de movimento resolvendo algumas equações diferenciais, e é dessa forma que resolvemos qualquer problema de mecânica. Não existe um problema similar a este na termodinâmica. Isso é um grave problema. Isso torna a termodinâmica, como sempre digo aos meus alunos, "perigosa". Porque nós vamos ver que ela lida com um conjunto enorme de problemas e não não temos uma única estratégia para a gente resolver esses problemas. Nós vamos ver que uma das leis da termodinâmica (em outra postagem) se refere ao conceito de entropia. Essa é a segunda lei da Termodinâmica, e essa lei nos dá um guia importante para abordas um conjunto grande de problemas, mas ainda assim é apenas uma pequena parte do conjunto inteiro que a termodinâmica trata. Outro guia importante é a primeira lei da termodinâmica, onde se refere a conservação de energia. Além dessas, a termodinâmica tem uma lei zero. Mas isso se deve a uma questão histórica. Historicamente as leis da termodinâmica foram desenvolvidas numa sequência que não é a sequência pedagógica favorável. Por exemplo, a segunda lei foi a primeira. Em 1824 Sadi Carnot, um engenheiro militar, foi quem intuiu a primeira lei. Joule associou com o que historicamente era chamado de calor com o processo que poderia ser gerado pela realização de trabalho. As pessoas tem a mania de falar que Joule descobriu que calor é uma forma de energia. Essa frase é mentirosa. Foi por isso que apareceu a lei zero. Houve um momento no início do século XX onde se percebeu que o arcabouço teórico da termodinâmica estava "sem um pé", e ninguém percebia. E esse equilíbrio foi a Lei zero. A lei zero estabelece a transitividade do equilíbrio térmico. Se eu pegar dois objetos macroscópicos em contato e esperar tempo suficiente, eles vão alcançar uma situação no qual os dois vão ficar com a mesma temperatura. A lei zero nos diz que se A e B estão em equilíbrio térmico, e se B e C estão em equilíbrio térmico, então A e C também estarão em equilíbrio térmico. Isso pode parecer bobagem, mas não é. Por exemplo, se eu sou amigo de João e o João é amigo da Carol, não significa que eu seja amigo da Carol. Então, a natureza nem sempre se comporta assim.
Outra coisa importante, é que depois que a gente descobriu no século XX que a matéria na verdade é constituída de objetos microscópicos, foi importante perceber que a termodinâmica só se pode existir por causa de certas características aos processos de medidas. Deixa eu explicar uma coisa importante. Num sistema macroscópico em equilíbrio, é que o estado dele pode ser caracterizado por um número muito pequeno de variáveis. Isso é surpreendente, pois se pensássemos escrever com a mesma ideia da mecânica clássica, estaríamos ferrados. Porque teríamos que determinar em que posição estão $10^{23}$ elementos e com que velocidades eles estão, essa é a "cabeça" da mecânica. No entanto, não é necessário esse conjunto enorme de grandezas para caracterizar de forma unívoca qual é o estado de um sistema macroscópico em equilíbrio. E isso é um espanto! É a primeira coisa espantosa que a natureza oferece com relação a um sistema microscópico. E por que isso acontece? Porque qualquer medida macroscópica feito sobre um sistema macroscópico, tem duração finita. Ela dura um certo tempo. Portanto, quando se faz uma medida, não está fazendo uma medida a respeito do que acontece num instante, estamos fazendo uma medida que incorpora uma média sobre um intervalo de tempo pequeno para os nossos padrões, mas imenso para o mundo microscópicos. Portanto, o que vamos fazer é medir médias temporais. Por outro lado, nossos aparelhos de medidas eles tem precisão finita. Por exemplo, eu não consigo fazer medidas que tenha precisão da ordem interatômica. Se pensarmos em medida de comprimento, eu não consigo fazer medidas de comprimento que tenham ordem da distância interatômica. As medidas que eu faço de precisão tem precisão muito maior que essas distâncias, portanto, as minhas medidas, na verdade, fazem medias espaciais e médias temporais. É este fato que faz que a termodinâmica seja possível. Se eu fosse capaz de fazer medidas temporais com precisão da ordem das tempos envolvidos no mundo microscópico, a termodinâmica seria impossível. Eis aí uma uma vantagem dos nossos instrumentos não terem precisão infinitas!
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