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15.0: Prelúdio da termodinâmica

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    A transferência de calor é energia em trânsito e pode ser usada para trabalhar. Também pode ser convertido em qualquer outra forma de energia. O motor de um carro, por exemplo, queima combustível para transferência de calor para um gás. O trabalho é feito pelo gás, pois ele exerce uma força à distância, convertendo sua energia em uma variedade de outras formas: na energia potencial cinética ou gravitacional do carro; em energia elétrica para acionar as velas de ignição, o rádio e as luzes; e de volta à energia armazenada na bateria do carro. Mas a maior parte da transferência de calor produzida pela queima de combustível no motor não funciona com o gás. Em vez disso, a energia é liberada para o meio ambiente, o que implica que o motor é bastante ineficiente.

    Uma máquina a vapor e vários vagões de passageiros são mostrados viajando pelos trilhos de um trem. O trem tem algumas pessoas a bordo.
    Figura\(\PageIndex{1}\). Uma máquina a vapor usa transferência de calor para trabalhar. Os turistas viajam regularmente neste trem com motor a vapor de bitola estreita perto do San Juan Skyway em Durango, Colorado, parte do Programa Nacional Scenic Byways. (crédito: Dennis Adams)

    Costuma-se dizer que os motores a gasolina modernos não podem ser significativamente mais eficientes. Ouvimos o mesmo sobre a transferência de calor para energia elétrica em grandes usinas de energia, sejam elas movidas a carvão, petróleo, gás natural ou energia nuclear. Por que esse é o caso? A ineficiência é causada por problemas de design que poderiam ser resolvidos com uma engenharia melhor e materiais superiores? É parte de alguma conspiração lucrativa de quem vende energia? Na verdade, a verdade é mais interessante e revela muito sobre a natureza da transferência de calor.

    As leis físicas básicas governam como a transferência de calor para o trabalho ocorre e impõem limites insuperáveis à sua eficiência. Este capítulo explorará essas leis, bem como muitas aplicações e conceitos associados a elas. Esses tópicos fazem parte da termodinâmica — o estudo da transferência de calor e sua relação com o trabalho.