Teorema de Nernst - terceira lei da termodinâmica

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A terceira Lei da termodinâmica foi formulada em 1905 por Walther Nernst, e através dela foi possível compatibilizar a ideia de Zero Absoluto, com a concepção da Mecânica Quântica, de que não existe repouso absoluto, devido a alguma agitação residual.

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Teorema de Nernst - terceira lei da termodinâmica

  1. 1. TERCEIRA LEI DA TERMODINÂMICA TEOREMA DE NERNST
  2. 2. APRESENTAÇÃO  Discentes: o Jason Levy Reis; o Mateus Barbosa; o Perácio Contreiras o Victor Said; o Victória Cabral.  Docente: Thalisson Andrade;  Disciplina: Física III;  Tema: Terceira lei da Termodinâmica;  Turma: 5832 – Unidade II;  Curso: Automação Industrial. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia Departamento Acadêmico de Automação e Sistemas Coordenação de Automação Industrial Salvador 2014 2
  3. 3. OBJETIVO A terceira Lei da termodinâmica foi formulada em 1905 por Walther Nernst, e através dela foi possível compatibilizar a ideia de Zero Absoluto, com a concepção da Mecânica Quântica, de que não existe repouso absoluto, devido a alguma agitação residual. 3 INTRODUÇÃO Esse trabalho tem como objetivo fazer uma abordagem sobre a terceira terceira Lei, apresentando seus criadores, suas aplicações e consequências. A fim de possibilitar essa abordagem a principal metodologia emprega foi a revisão de literatura, que se fundamentou utilizando artigos científicos, websites e banco de dados virtuais.
  4. 4. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Primeira e segunda lei da termodinâmica: o conceito de Entropia 4
  5. 5. RESUMO: 1ª E 2ª LEI DA TERMODINÂMICA Primeira Lei • Conservação de Energia; • Calor e Trabalho; • Não explica condições necessárias para a reação. 5 Segunda Lei • Funcionamento de Máquinas Térmicas; • Calor não pode ser convertido integralmente em trabalho. • Fluxo de corpo mais frio para corpo mais quente pode ocorrer desde que haja trabalho.
  6. 6. ESPONTANEIDADE • Mudança Espontânea ocorre sem a necessidade de ser induzida. • Mudança Induzida ou Forçada. • Não é necessariamente rápida. • Na mudança espontânea a energia e matéria tendem a se tornar desordenadas. 6
  7. 7. • A desordem é Medida pela Entropia. • Segunda Lei da Termodinâmica. • A variação da Entropia é dada pela seguinte equação: ENTROPIA NA 2ª E 3ª LEI DA TERMODINÂMICA 7 Onde: • ∆𝑆 = Variação da Entropia (J/K); • 𝑞 𝑟𝑒𝑣 = Energia Transferida (J); • 𝑇 = Temperatura (k). “A entropia de um sistema isolado aumenta no decorrer de uma mudança espontânea” ∆𝑆 = 𝑞 𝑟𝑒𝑣 𝑇
  8. 8. EXEMPLO Um frasco grande de água foi colocado em contato com um aquecedor, e 100j de energia foram transferidos reversivelmente à água a 25°C. A variação da entropia da água é: 8 ∆𝑆 = 𝑞𝑟𝑒𝑣 𝑇 → ∆𝑆 = 100 𝐽 273,15+25 𝐾 → ∆𝑆 = 100 𝐽 298𝐾 → ∆𝑆 = +0,336 𝐽 𝐾 → ∆𝑆 = +0,336𝐽. 𝐾−1
  9. 9. ENTROPIA • Transferência de Energia Gera Desordem no Sistema. • A desordem é maior quando a temperatura é baixa. • A Entropia é uma função de Estado. • A temperatura gera influência. 9 • A 2ª Lei fala sobre a origem das mudanças químicas, entropia e energia livre. • A 3ª Lei surge para estabelecer uma escala, um ponto de referencia absoluto.
  10. 10. A TERCEIRA LEI DA TERMODINÂMICA TEOREMA DE NERNST 10
  11. 11. A 3ª LEI DA TERMODINÂMICA • Em 1906, nernst enunciou: ― “Em qualquer reação envolvendo somente sólidos cristalinos, a variação da entropia é nula”. • Em 1923, Planck: ― reformula o enunciado da terceira lei, expandindo seu conceito e generalizando-a. 11 lim 𝑇→0 ∆𝑆 = 0
  12. 12. ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE MATÉRIA E SUA ESTRUTURA 12 ORGANIZAÇÃO/ORDEM MOLECULAR Gás Menos organizado Líquido Menos organizado Sólido Mais ordenado Fonte: WHITE, 2005.
  13. 13. A 3ª LEI DA TERMODINÂMICA A terceira lei pode ser enunciada do seguinte modo, ainda: 13 Desse modo, pode-se constatar o seguinte: • Quando T → 0 K, S0 = 0; isto é, a entropia de toda a matéria seria igual no Zero Absoluto; • Consequentemente, a matéria entraria em estado de ordenação absoluta e não em estado de repouso absoluto; • Para Nernst, esse fenômeno era apenas possível com retículos cristalinos perfeitos, mas sabe-se que esse estado apenas é alcançado com a gases; • É possível calcular “valores absolutos de entropia”. Fonte: BOTTA e ANDREETA, 2014.
  14. 14. A 3ª LEI DA TERMODINÂMICA Assumindo a veracidade das constatações anteriores, é possível constatar ainda: • Todas as substâncias tem o mesmo valor de entropia em 0 K; • Assume-se que esse valor é nulo; • A partir disso, torna-se possível estabelecer o ponto zero, o qual é o meio de obtenção para a medida da entropia e da entropia absoluta; • O cálculo independe da: energia interna, da entalpia • Apesar da lei não especificar se o sistema deve estar em equilíbrio com o meio externo, ela define que é necessário equilíbrio interno; • Assume-se que não há influência da pressão; • O teorema de Nernst aplica-se a gases, mas não a soluções líquidas ou sólidas; 14 Fonte: BOTTA e ANDREETA, 2014.
  15. 15. APLICAÇÕES DA TERCEIRA LEI 15
  16. 16. CONDENSADO DE BOSE EINSTEIN • O condensado de Bose Einstein foi previsto em 1925, por Albert Einstein baseado na teoria de Bose. • O primeiro condensado desse tipo a ser fabricado em laboratório foi criado em 1995 por Eric Cornell e Carl Wieman, que o produziram a partir de átomos de Rubídio a 170 nano kelvin. 16 Carl Wieman e Eric Cornell Satyendra Nath Bose
  17. 17. CONDENSADO DE BOSE EINSTEIN • O condensado de Bose Einstein é um estado da matéria no qual os átomos se comportam como um único objeto quântico, ou seja, os átomos perdem sua individualidade e passam a agir como se fossem um. • Ele é relacionado ao fenômeno da superfluidez, que foi observada em 1937 ao resfriar átomos de Hélio a temperaturas abaixo de 2 Kelvin 17 Há controvérsias no mundo acadêmico sobre o condensado de Bose Einstein ser ou não o quinto estado da matéria.
  18. 18. CONDENSADO DE BOSE EINSTEIN • Após a descoberta do condensado de Bose Einstein outros estudos foram realizados e dentre as descobertas podem-se destacar o raio atômico e uma propriedade do condensado que faz com que ele imploda e exploda em seguida. • O primeiro raio atômico foi feito por Ketteler, ao fazer com que gotas de um condensado de Bose Einstein constituído de átomos de sódio caíssem em pingos de um único ponto. 18 Tipos de raio atômico
  19. 19. RELAÇÃO DE GRÜNEISEN: DEDUÇÃO SIMPLIFICADA 19 Onde: ∆𝐺 = Energia Livre de Gibbs ∆𝐻 = Variação de Entalpia ∆𝑆 = Variação de Entropia 𝑇 = Temperatura 𝑑 = derivada 𝛿 = derivada parcial em função de uma das variáveis (índice) 𝑝 𝑐𝑡𝑒= pressão constante Onde: 𝐶𝑝 = Capacidade Calorífica com pressão constante 𝐶𝑣 = Capacidade calorífica com volume constante ∆𝑆 = Variação de Entropia T = TemperaturaFonte: BOTTA e ANDREETA, 2014.
  20. 20. 20 Onde: 𝑆 = Entropia 𝑝 = Pressão 𝑇 = Temperatura 𝛿 = derivada parcial em função de uma das variáveis (índice) 𝑉 = Volume RELAÇÃO DE GRÜNEISEN: DEDUÇÃO SIMPLIFICADA Fonte: BOTTA e ANDREETA, 2014.
  21. 21. 21 Onde: 𝑆 = Entropia 𝑝 = Pressão 𝑇 = Temperatura 𝛿 = derivada parcial em função de uma das variáveis (índice) 𝛼 = coeficiente de expansão térmica volumétrica 𝛽 = Compressibilidade Continuação RELAÇÃO DE GRÜNEISEN: DEDUÇÃO SIMPLIFICADA Fonte: BOTTA e ANDREETA, 2014.
  22. 22. RELAÇÃO DE GRÜNEISEN 22 𝛾 = 𝛼𝑉 𝛽𝐶𝑣 Fonte: BOTTA e ANDREETA, 2014. Associa através de uma constante γ, que é independente da temperatura. • compressibilidade; • coeficiente de expansão térmica; • capacidade calórica; • volume. Onde: 𝛼 = coeficiente de expansão térmica volumétrica 𝛽 = Compressibilidade 𝑉 = Volume 𝐶𝑣 = Capacidade calorífica com volume constante
  23. 23. CONSEQUÊNCIAS DA TERCEIRA LEI 23
  24. 24. CONSEQUÊNCIAS "É impossível através de qualquer procedimento, não importa o quão idealizado, reduzir a temperatura de qualquer sistema à temperatura zero em um finito número de finitas operações“ Guggenheim, E.A. 24
  25. 25. Suponha que a temperatura de uma substância pode ser reduzida em um processo isentrópico. Pode-se pensar numa configuração de desmagnetização nuclear de múltiplos estágios aonde o campo magnético é ligado e desligado de forma controlada. Se houvesse uma diferença na entropia no zero absoluto T = 0 poderia ser alcançado em um número finito de operações. Contudo, durante T = 0 não há diferença na entropia, então um número infinito de operações seria necessário. 25 CONSEQUÊNCIAS
  26. 26. CONSIDERAÇÕES FINAIS Ao longo deste trabalho foi possível efetuar uma análise da terceira lei da termodinâmica, explanando sobre seus criadores e sobre a importância prática e teórica para a física. Ressalta-se a importância deste seminário para o curso de Física, ministrado no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia – Câmpus Salvador, no qual as aulas sobre termodinâmica foram complementadas com este trabalho. 26
  27. 27. REFERÊNCIAS • BOTTA, W.; ANDREETA, M. Termodinâmica dos Sólidos. São Paulo: Universidade Federal de São Carlos, Departamento de Engenharia de Materiais, [s.a.]. Disponível em: <http://goo.gl/NZZHjQ>. Acesso em: 20 nov. 2014. • GUGGENHEIM, E.A. (1967). Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists, fifth revised edition, North-Holland Publishing Company, Amsterdam, page 157. • HANGLEY, Edward et al. The Atom Laser. An Optics and Photonics News, may 2001. • JUNIOR, Osvaldo Pessoa. Condensados Bose-Einstein. Disponível em: <www2.uol.com.br>. Acesso em: 15 dez. 2014. • UFC. O que é o CONDENSADO DE BOSE/EINSTEIN?. In: Queremos saber: pergunta respondida. Disponível em: <http://goo.gl/xbqc2R>. Acesso em: 15 dez. 2014. • WHITE, D. P. Capítulo 19: termodinâmica química. In: química a ciência central. 9. ed. [s.l.]: Pearson Education, 2005. 27

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