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TERCEIRA LEI DA
TERMODINÂMICA
TEOREMA DE NERNST
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
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.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Primeira e segunda lei da termodinâmica: o conceito de Entropia
4
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.
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
• 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
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
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.
A TERCEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
TEOREMA DE NERNST
10
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
ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE
MATÉRIA E SUA ESTRUTURA
12
ORGANIZAÇÃO/ORDEM MOLECULAR
Gás
Menos organizado
Líquido
Menos organizado
Sólido
Mais ordenado
Fonte: WHITE, 2005.
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.
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.
APLICAÇÕES DA TERCEIRA LEI
15
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
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.
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
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
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
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.
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
CONSEQUÊNCIAS DA TERCEIRA LEI
23
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
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
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
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.
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Teorema de Nernst - terceira lei da termodinâmica

  • 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. 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. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Primeira e segunda lei da termodinâmica: o conceito de Entropia 4
  • 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. 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. • 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. 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. 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. A TERCEIRA LEI DA TERMODINÂMICA TEOREMA DE NERNST 10
  • 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. ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE MATÉRIA E SUA ESTRUTURA 12 ORGANIZAÇÃO/ORDEM MOLECULAR Gás Menos organizado Líquido Menos organizado Sólido Mais ordenado Fonte: WHITE, 2005.
  • 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. 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.
  • 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. 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. 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. 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 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 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. 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
  • 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. 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. 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. 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