Um Pouco sobre a Evolução e Revolução da Termodinâmica (Clássica e Quântica)
Autor: Jonas Floriano | Publicado: 2017-07-15T10:37:00-07:00


Neste texto iremos discutir um pouco sobre a história termodinâmica e sua transição para a ciência termodinâmica que está sendo desenvolvida hoje nas universidades e com muitas aplicações práticas. Em breve um vídeo sobre o assunto. As referências estão no fim do texto.



A termodinâmica clássica foi desenvolvida basicamente na segunda metade do século 19 por pessoas interessadas no benefício em se converter uma quantidade de calor em trabalho útil para diversos propósitos na sociedade. Um dos principais e mais fundamentais exemplos de aplicação desta então nova teoria é a máquina a vapor, que usa uma fonte quente (queima do carvão) uma fonte fria (o ar), e um fluido (o valor de água), para converter calor em trabalho e assim movimentar, por exemplo, uma locomotiva.



Experimentalmente verificou-se que nem todo calor poderia ser convertido em trabalho, o que foi acompanhado de três leis descrevendo princípios fundamentais da termodinâmica clássica, como a conservação da energia e a impossibilidade de converter todo calor em trabalho durante um ciclo termodinâmico, além de outras características da teoria.



Um dos resultados mais importantes neste sentido foi obtido por Carnot, responsável por mostrar que para um ciclo termodinâmico realizado de forma consideravelmente lenta, a eficiência de uma máquina térmica depende apenas das temperaturas das fontes quente e fria envolvidas no mecanismo. O resultado de Carnot é geral, ou seja, não depende do fluido usado na máquina e representa e representa a máxima eficiência que qualquer máquina pode atingir operando entre as mesmas temperaturas Tquente e Tfrio, ou seja



Rendimento &nbsp;= Trabalho Realizado / Calor Fornecido = 1 - Tquente/Tfrio



Além deste importante fato sobre o limite das máquinas térmicas, o estudo da termodinâmica pôde caracterizar uma infinidade de sistemas termodinâmicos, como gases e líquidos, por meio de várias grandezas físicas definidas com este propósitos. Entre elas, temos: Energia Interna de um sistema, Energia Livre de Gibbs, Energia Livre Helmoltz, Entalpia, Capacidade Térmica a Volume Constante ou a Pressão Constante, entre outras grandezas.



Estas quantidades são muito úteis para caracterizar substâncias macroscópicas, ou seja, tratando um sistema físico de forma estatística e calculando a média desses valores, e não olhando molécula por molécula em um gás, por exemplo, algo que seria impossível dado a quantidade de moléculas ou átomos existente em um gás.



Além do desenvolvimento da termodinâmica clássica que vinha decorrendo ao longo dos anos desde sua fundamentação, no começo do século passado descobriu-se que a física existente a nível atômico é radicalmente diferente da física clássica como a conhecemos, dando início então à teoria quântica. Isso resultou na criação de uma outra área de pesquisa, chamada física de partículas, cujo objetivo é entender o por que a matéria é como é de um ponto vista fundamental e não apenas fenomenológico. Com isso, levantou-se um questionamento sobre a termodinâmica clássica ser uma teoria subjetiva e dependente do nosso grau de conhecimento sobre o sistema físico de estudo, e não uma teoria fundamental. Isso é parcialmente devido ao fato de a termodinâmica ter surgido baseando-se fortemente em experimentos. A favor deste argumento estava o famoso físico Maxwell.



Já em anos recentes, com formulações teóricas envolvendo a teoria quântica no contexto da termodinâmica, uma nova área de pesquisa surgiu, denominada Termodinâmica Quântica onde sistemas termodinâmicos passaram a ser criados com 5, 4, ou mesmo um único átomo. Os resultados neste novo setor da física mostram que muitos fatos resultantes da termodinâmica clássica não são válidos quando se cria, por exemplo, uma máquina térmica com apenas um átomo. Por exemplo, o conceito de Calor e Trabalho precisam ser completamente redefinidos.



Um dos resultados mais impactantes neste contexto foi que uma máquina térmica operando exclusivamente no regime quântico pode superar o rendimento de Carnot. Este fato deixou alguns físicos atônitos na época, mas a maior parte da &nbsp;comunidade científica hoje em dia já entendeu o que de fato ocorre no regime quântico. O fato é que para isso, é necessário considerar não apenas o fluido da máquina térmica como sendo quântico, mas também os reservatórios quente e frios envolvidos. Este último fato não era previsto pelo Carnot na época e por isso o limite clássico não pode ser aplicado a uma situação quântica.&nbsp;



Após muitos e muitos anos de avanço, a termodinâmica tem-se mostrado uma ciência muito importante e um palco onde muitas implicações da física podem ser testadas e entrelaçadas. Muito recentemente foi mostrado que há uma relação entre teoria de informação e termodinâmica. Embora a ideia original não seja nova, só recentemente está sendo possível realizar experimentos neste nível escala, o que, certamente nos próximos anos, relevará ser de fundamental importância para compreendermos ainda melhor a natureza e seu comportamento desde escalas macroscópicas até escalas atômicas.



Referências:



1.&nbsp;https://www.quantamagazine.org/the-quantum-thermodynamics-revolution-20170502/



2.&nbsp;https://phys.org/news/2015-10-quantum-thermodynamics.html