Os valores termodinâmicos são discutidos em referência a um sistema e seus arredores. Tudo o que não faz parte do sistema constitui o seu entorno. O sistema e a vizinhança são separados por uma fronteira. Por exemplo, se o sistema é um mol de gás em um recipiente, então o limite é simplesmente a parede interna do próprio recipiente. Tudo fora do limite é considerado o entorno, o que inclui o próprio contêiner.
A fronteira deve ser claramente definida, para que se possa dizer claramente se uma determinada parte do mundo está no sistema ou na vizinhança. Se a matéria não é capaz de atravessar a fronteira, diz-se que o sistema é fechado; caso contrário, está aberto. Um sistema fechado ainda pode trocar energia com a vizinhança, a menos que o sistema seja isolado, caso em que nem matéria nem energia podem atravessar a fronteira.
A primeira lei da termodinâmica, também conhecida como Lei da Conservação da Energia, afirma que a energia não pode ser criada nem destruída; a energia só pode ser transferida ou alterada de uma forma para outra. Por exemplo, acender uma luz parece produzir energia; no entanto, é a energia elétrica que é convertida.
Uma maneira de expressar a primeira lei da termodinâmica é que qualquer variação na energia interna (∆E) de um sistema é dada pela soma do calor (q) que flui através de suas fronteiras e o trabalho (w) realizado sobre o sistema. pelo entorno.
∆E = q + w
onde q é o calor que flui através de seus limites e w é o trabalho realizado sobre o sistema pela vizinhança
Esta lei diz que existem dois tipos de processos, calor e trabalho, que podem levar a uma mudança na energia interna de um sistema. Como tanto o calor quanto o trabalho podem ser medidos e quantificados, isso é o mesmo que dizer que qualquer mudança na energia de um sistema deve resultar em uma mudança correspondente na energia da vizinhança fora do sistema. Em outras palavras, a energia não pode ser criada ou destruída. Se o calor flui para um sistema ou a vizinhança realiza trabalho sobre ele, a energia interna aumenta e os sinais de q e w são positivos. Por outro lado, o fluxo de calor para fora do sistema ou o trabalho realizado pelo sistema (nas vizinhanças) será à custa da energia interna, e q e w serão, portanto, negativos.
A segunda lei da termodinâmica diz que a entropia de um sistema isolado sempre aumenta. Sistemas isolados evoluem espontaneamente para o equilíbrio térmico – o estado de entropia máxima do sistema. Colocando de forma mais simples, a entropia do universo (o último sistema isolado) só aumenta e nunca diminui.
Uma maneira simples de pensar na segunda lei da termodinâmica é que um quarto, se não for limpo e arrumado, invariavelmente se tornará mais bagunçado e desordenado com o tempo – independentemente de quão cuidadoso seja para mantê-lo limpo. Quando a sala é limpa, sua entropia diminui, mas o esforço para limpá-la resultou em um aumento na entropia fora da sala que excede a entropia perdida.
A terceira lei da termodinâmica afirma que a entropia de um sistema se aproxima de um valor constante quando a temperatura se aproxima do zero absoluto. A entropia de um sistema no zero absoluto é tipicamente zero e, em todos os casos, é determinada apenas pelo número de diferentes estados fundamentais que ele possui. Especificamente, a entropia de uma substância cristalina pura (ordem perfeita) na temperatura de zero absoluto é zero. Esta afirmação é verdadeira se o cristal perfeito tiver apenas um estado com energia mínima.
