TD 002 - Matéria e energia

O universo é constituído basicamente por matéria e energia. Os sistemas termodinâmicos, sendo porções do universo, são também compostos por matéria e energia que são conceitos primitivos, portanto, intuitivos. Isso significa que não podem ser definidos sem cair numa tautologia.

Nesta situação, o melhor é usar os atributos básicos. Assim, a matéria é concreta e ocupa espaço físico, a energia não. A matéria tem massa de repouso e a energia não tem. A matéria é bariônica e a energia é fotônica. Logo são coisas diferentes. Todo mundo sabe disso, mas faltam as palavras adequadas para uma boa explicação.

Apesar das diferenças, a equivalência entre matéria e energia é estabelecida pela fórmula mais famosa e conhecida de Einstein:

E = mc²

Ela diz basicamente que, se uma quantidade m de matéria desaparece, uma quantidade E de energia surge em seu lugar ou vice-versa. A constante, c, que aparece na fórmula é a velocidade da luz no vácuo que é uma constante universal usada no SI para definir a unidade de comprimento, o metro.

A Termodinâmica, pelo menos a usada na engenharia química, aborda fenômenos onde esta conversão matéria-energia ou não ocorre, ou pode ser desprezada. Nestas circunstâncias, matéria e energia são coisas distintas e que obedecem a leis de conservações próprias e separadas.

Na física a massa surge em dois contextos. Na lei da inércia de Newton, a aceleração de um corpo é proporcional a resultante das forças aplicadas sobre ele. A constante de proporcionalidade é a massa do corpo. Esta massa é conhecida como massa inercial. Na lei da gravitação, também de Newton, a força de atração gravitacional entre dois corpos é diretamente proporcional ao produto das massas dos corpos e inversamente proporcional ao quadrado da distância que os separa. A massa que aparece nesta lei é a massa gravitacional. É surpreendente que sejam iguais, mas a teoria da relatividade se baseia na equivalência entre gravitação e inércia.

Nos sistemas termodinâmicos, a matéria é constituída por partículas elementares que se juntam para formar átomos, os quais, por sua vez, se unem para formar moléculas, íons, radicais livres, etc. As interações entre estas partículas elementares fazem com que a matéria possa, sob o ponto de vista macroscópico, se apresentar em três estados de agregação: sólido, líquido e gasoso. Existem outros estados da matéria, mas, por enquanto, estes são suficientes.

A energia é um ente físico-matemático, que decorre da aplicação das leis de Newton e que está intimamente associada com as partículas materiais nas formas de energia cinética e potencial. A energia cinética se esconde nos movimentos translacionais, vibracionais e rotacionais destas partículas. A energia potencial, por seu lado, está associada aos campos de força, entre os quais os mais conhecidos são os campos gravitacional e eletromagnético. Assim, existe a energia potencial devida ao posicionamento dos elétrons na capa eletrônica dos átomos e ao posicionamento dos prótons e nêutrons nas camadas de energia do núcleo atômico. Apesar de estar intimamente ligada a matéria, a energia pode trafegar sozinha no espaço vazio na forma de fótons.

Quantos tipos de água existem no nosso planeta?

Considerando que existem três isótopos do hidrogênio na natureza, hidrogênio (H), deutério (D) e trítio (T), podemos listar três tipos de água: H2O, D2O e T2O. Como estes isótopos podem ser combinados par a par na molécula de água, podemos listar mais três tipos de água: HDO, HTO e DTO. Com isso temos seis tipos de águas considerando apenas os isótopos do hidrogênio. No entanto, na natureza, existem três isotopos de oxigênio: o oxigênio-16, o oxigênio-17 e o oxigênio-18. Isso nos leva a aumentar as águas existentes no nosso planeta para dezoito tipos que podem obtidos em forma pura pelos químicos.

TD 001 - Sistemas

Por sistema, entende-se qualquer porção do universo separada, real ou imaginariamente, para fins de estudo. Em geral, o sistema é um artefato como, por exemplo, um reator, um evaporador, uma fornalha, uma dorna de fermentação, uma cuba eletroquímica, etc. Pode ser uma porção de espécie química pura ou de mistura de espécies químicas.

A superfície que separa o sistema do resto do universo é conhecida como fronteira do sistema. Ela é uma superfície no sentido geométrico deste termo, isto é, imaterial e sem espessura, servindo apenas para separar o que pertence ao sistema do que não pertence ao sistema. A fronteira pode coincidir ou não com interfaces entre fases. Se ela coincide com interfaces, ela é dita real. Se não coincidir, ela será considerada imaginária.

O resto do universo, separado do sistema pela fronteira, é chamado ambiente do sistema. A porção do ambiente adjacente ao sistema e que é capaz de interagir diretamente com ele é chamada vizinhança do sistema.

A precisão na localização da fronteira é fundamental. Sem isso, duas pessoas, interessadas num mesmo artefato, podem estar estudando sistemas diferentes pensando ser o mesmo apenas porque não escolheram a mesma fronteira por uma falha de comunicação. Observe também que, na escolha dos sistemas, não existe uma resposta certa já que ela é pessoal. Se mais de uma pessoa estiverem envolvidas no estudo, a escolha do sistema deverá ser consensual. Por outro lado, sempre existe o sistema mais prático, que é aquele que simplifica a realização do estudo desejado, cabe a cada um encontrá-lo e não existe uma regra universal para isto.

Na construção dos sistemas as fronteiras reais, isto é, as interfaces entre fases, surgem como escolhas naturais. As fronteiras imaginárias devem ser evitadas na medida do possível pela dificuldade em localizá-las exatamente. Claro que são inevitáveis em certas situações, como nos bocais de entrada e saída de equipamentos, onde são necessárias para completar fronteiras reais. As fronteiras totalmente imaginárias aparecem quando se considera volumes de controle, que são volumes imaginários com fronteiras imaginárias, usados na modelagem matemática de operações e processos.

Não custa repetir “ad nauseam”, seja qual for o sistema escolhido, muita atenção deve ser dada a localização precisa da fronteira de forma a deixar bem claro o que está dentro e o que está fora do sistema. O que é parte do sistema, o que é parte da vizinhança do sistema e o que é parte do ambiente do sistema. A especificação exata da fronteira é crucial.