Qual é o papel da Termodinâmica nos processos industriais

Por acaso você já ouviu falar da termodinâmica?

Este nome, apesar de não ser tão popular, diz muito sobre o sucesso de diversos processos do nosso dia a dia que envolvem a temperatura.

Isso se deve ao fato de que a termodinâmica se refere à área da física que estuda as relações entre calor, trabalho e as propriedades de sistemas físicos em equilíbrio termodinâmico.

Eu entendo, é bem complicado entender um nome apenas lendo esses termos, mas daqui há pouco vamos desmistificar tudo para que você entenda.

Em outras palavras, a termodinâmica está aplicada no motor do seu carro, na climatização do seu ambiente, no sistema de refrigeração que conserva os seus alimentos e em muitos dos seus pertences que tiveram contato com a temperatura durante a fabricação.

E mesmo que distintos, todos esses exemplos dados têm algo em comum? 

O fato é que todos tiveram o seu início na indústria. A indústria não seria nada se a termodinâmica não estivesse presente.

Ao assegurarmos que este estudo físico está presente na fabricação de tantas coisas, nos resta a seguinte dúvida: qual é o real papel da termodinâmica nos processos industriais?

Por que é tão importante?

Para respondermos isso, apresentaremos primeiramente o que é a termodinâmica, além de darmos exemplos de onde a mesma é utilizada e quais os seus benefícios e impactos.

Mas isso você vai aprender ao longo do texto, está bem? Então fique por aqui e nos acompanhe nesta leitura. 

O que é a termodinâmica

Diferente de muitas coisas que explicamos por aqui, a termodinâmica faz parte daquilo que não é óbvio, daquilo que não é visível.

Daí surge a necessidade de sermos o mais didáticos possível, e é por isso que explicaremos tudo o que você precisa saber, sem complicar a sua vida.

Anteriormente, falamos que a termodinâmica é uma área da física que estuda as relações entre o calor, o trabalho e as propriedades dos sistemas físicos em equilíbrio termodinâmico.

Mas o que são cada uma dessas coisas?

• Calor: é uma energia em trânsito. É a transferência de energia térmica entre dois corpos devido à uma diferença de temperatura entre os mesmos. Assim, a transferência percorre do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.
• Trabalho: é uma forma de energia que pode ser convertida em outras formas, como a energia cinética ou potencial;
• Sistemas físicos em equilíbrio termodinâmico: sistema em que não há mudança em suas propriedades termodinâmicas macroscópicas relevantes ao longo do tempo. As grandezas “relevantes” (temperatura, pressão, volume) permanecem constantes e não variam com o tempo.

Em outras palavras, a termodinâmica estuda a interação de elementos de diferentes temperaturas e também a sua consequência no ambiente ou a consequência do ambiente sobre este corpo.

Por isso, a termodinâmica é tão importante para áreas como a engenharia, química, biologia, meteorologia, entre outras.

Futuramente, abordaremos a influência da termodinâmica na indústria, que é o assunto principal deste texto.

Quais são as leis da termodinâmica

Caso você tenha curiosidade para saber de onde surgiu toda essa teoria e aplicação de corpos e ambientes interagindo entre si e sendo tão utilizados em diversos estudos, temos aqui a sua resposta.

A termodinâmica é regida por três leis, as quais são provenientes de estudos teóricos e testes empíricos (práticos).

Basicamente, são utilizadas para descrever o comportamento de sistemas macroscópicos e, a partir disso, estabelecem princípios básicos e ajudam a analisar e entender os processos térmicos em sistemas físicos.

1. Primeira lei: conhecida como princípio da conservação de energia, essa lei assegura que a energia total de um sistema isolado permanece constante e pode ser convertida de uma forma para outra, mas a quantidade total de energia não muda;
2. Segunda lei: estabelece a noção de entropia e direção de fluxo de calor, além de garantir que a entropia de um sistema isolado tende a aumentar ao longo do tempo, o que gera um aumento de desordem e de distribuição de energia em processos naturais;
3. Terceira lei: legisla que é impossível atingir a temperatura zero absoluto (0 Kelvin ou -273,15 °C) em um número finito de etapas.

Qual é o papel da Termodinâmica nos processos industriais

Dentre todos os estudos e ferramentas utilizados para otimizar os mais variados processos industriais, a termodinâmica é um dos artifícios mais importantes.

Afinal, a sua aplicação simplifica o entendimento de diversos processos, os quais serão mencionados, de modo que saibamos coletar alguns dados a partir da sua aplicação, como a eficiência, o trabalho, a potência, entre outras propriedades importantes.

Para que você tenha noção do quão inteligente e eficiente é utilizar a termodinâmica na indústria, apresentaremos alguns exemplos reais do seu uso na indústria.

• Motores

A termodinâmica é uma ferramenta essencial para conhecer os eventos que acontecem em um motor, o qual está sujeito a altas temperaturas e pressão.

E sabe o que tiramos de útil disso?

Nos motores a diesel e a gasolina, a termodinâmica permite compreender a eficiência do ciclo de combustão, o desempenho do motor, a dissipação de calor e a taxa de consumo de combustível.

Assim, é possível facilitar o processo de desenvolvimento de tecnologias mais eficientes, como motores híbridos e elétricos.

• Sistemas de ar condicionado e refrigeração

Para esses tipos de sistemas, a termodinâmica é aplicada no projeto e nas suas operações de refrigeração ou climatização.

Fazendo o ciclo de ambos, podemos compreender a eficiência energética, controlar a temperatura, analisar o impacto de diferentes fluidos refrigerantes no sistema e encontrar pontos ótimos de uso de compressor para diferentes demandas.

Além disso, contribui para o desenvolvimento de sistemas mais eficientes e sustentáveis.

• Geração de eletricidade

Acredite, é possível entender o processo de usinas inteiras apenas utilizando a termodinâmica em conjunto de conceitos e ciclos correspondentes.

Usinas termelétricas, nucleares, solares, entre outras, realizam a conversão de energia térmica em outras energias, o que é perfeito para o uso da termodinâmica.

A conversão de energia térmica em energia mecânica, em turbinas a vapor ou a gás, a eficiência dos ciclos termodinâmicos e a transferência de calor em trocadores de calor são algumas das muitas análises que podem ser feitas com a aplicação deste estudo físico.

Além disso, auxilia fortemente na otimização de recursos energéticos.

• Processos industriais

A termodinâmica é uma ferramenta padrão para a análise de comportamento de processos industriais, seja na produção de aço, produtos químicos, refino de petróleo, análise de sistemas (caldeira, compressor, turbina, bombas, bocais), entre outros.

Com isso, é possível entender o processo de separação, reações químicas, transferência de calor entre equipamentos ou durante fases de máquinas (expansão, admissão, compressão, exaustão de motores), otimização energética e controle de temperatura.

Quanta coisa é favorecida pela termodinâmica na indústria, não é mesmo? 

Ressaltamos, novamente, que diversos bens que possuímos não existiriam se a termodinâmica não estivesse aplicada, até porque o comportamento termodinâmico dos processos é também um meio de validar ou não um projeto.

Na indústria, a termodinâmica é um dos pontos chave para determinar diversos pontos de otimização de projetos, e por isso é um assunto muito discutido em diversas engenharias, como a mecânica, de energia, de materiais, metalúrgica, entre outras.