Processos termodinâmicos
Objeto de aprendizagem: Transformações termodinâmicas
NOA - UFPB
Quando um sistema não sofre qualquer tipo de influência de sua vizinhança, dizemos que ele é
um sistema isolado, e dessa maneira ele tenderá a permanecer numa mesma situação estável.
Existem diversos processos termodinâmicos simples de serem visualizados, tais como os processos que mantenham uma função de estado constante. Entendemos por função de estado às grandezas
que definem um estado termodinâmico, tais como pressão, volume e temperatura.
Definimos equilíbrio termodinâmico como a situação onde não acontecem mudanças em suas
funções de estado.
As possíveis mudanças podem ser de três tipos: mecânica, química e térmica.
1. Quando o meio ambiente exerce uma força sobre o sistema, essa força irá interferir no estado seu estado de equilíbrio existente, por causa de uma perturbação mecânica. Essa força
poderá fazer que o sistema diminua o seu volume (como um êmbolo quando pressionado).
Além disso, pode associar um aumento de pressão do gás, caso o sistema esteja em contato
com um banho térmico e perca calor. Após retornar ao isolamento, e depois de algum tempo
de relaxação, o sistema alcança um novo estado de equilíbrio mecânico.
2. Quando o sistema troca matéria com o meio que o circunda, acontece uma perturbação química. Essa perturbação pode provocar uma alteração na composição química do sistema.
Após retornar ao isolamento, e depois de algum tempo, acontecerá novamente uma uniformização na composição do sistema e ele alcançará um novo estado de equilíbrio químico.
3. Quando o sistema entra em contato térmico com as vizinhanças, acontecerá uma troca de calor,
e essa perturbação afastará o sistema de seu estado de equilíbrio. Após retornar ao isolamento, e
depois de algum tempo de relaxação, o sistema alcança um novo estado de equilíbrio térmico.
Quando o sistema se encontra em equilíbrio em relação às três condições mencionadas, dizemos
que ele está em equilíbrio termodinâmico, e nessa situação ele pode ser descrito por suas funções de
estado, que se referem ao sistema como um todo.
O que seria uma grandeza termodinâmica?
Considere um gás composto de pequenas partículas contido em um recipiente, e esse recipiente
pode apresentar-se de modos diversos. Um modelo para representar essas partículas seria considerá-las
como pequenas bolas rígidas.
Podemos variar o volume do recipiente aumentando ou diminuindo a região disponível para as
partículas do gás.
Poderemos ainda envolver o recipiente com um material isolante de maneira a impedir um fluxo
de calor entre o gás e o meio que circunda o recipiente.
E finalmente poderemos colocar o recipiente em contato com um banho térmico, de modo a ceder
ou absorver calor do gás. O banho térmico é entendido como um aparato capaz de fornecer ou ceder qualquer quantidade de calor ao gás; variando a temperatura do gás, mas mantendo sua própria temperatura
constante. Um exemplo dessa situação seria colocar um copo de água a temperatura ambiente num grande
balde de gelo; o grande balde de gelo irá esfriar a água praticamente sem variar a sua própria temperatura.
A temperatura T do gás é uma função de estado. Também são funções de estado o volume V
do recipiente que confina o gás e a sua pressão p. Quando um sistema está em equilíbrio termodinâmico, as funções p, V e T são bem definidas, e estão inter-relacionadas e definem o estado em que o sistema se encontra. Basta que conheçamos duas e poderemos determinar a terceira grandeza. A equação
que define essa relação é conhecida como equação de estado. No modelo do gás ideal, a equação de
estado é dada por:
pV = μRT
onde μ é u número de moles do gás e R é a constante universal dos gases.
Um processo termodinâmico é um evento caracterizado pela variação de uma ou várias
funções de estado de determinado sistema.
Quando um sistema se encontra em equilíbrio termodinâmico e sofre uma pequena variação (infinitesimal) em algumas de suas funções de estado, se deixado isolado, ele encontrará naturalmente
uma outra situação de equilíbrio, como novos valores de suas funções de estado. Chama-se a essa
mudança infinitesimal de processo quase estático.
Um processo reversível é necessariamente uma seqüência de processos quase estáticos. Para
que um processo seja reversível é necessário que conheçamos todas as micro-transformações que
aconteceram entre o estado inicial e o estado final.
As mudanças que sofrem algumas grandezas quando que acontece numa transformação termodinâmica estão relacionadas através da equação que define a Primeira Lei da Termodinâmica:
ΔE = Q − W
onde
ΔE = energia interna do gás
Q = calor absorvido pelo gás
W = trabalho executado pelo gás
Considerando os processos quase estáticos, vamos analisar:
a. Processo adiabático; Q = 0; sem troca de calor com o ambiente.
Como não existe troca de calor entre o sistema (gás) e o ambiente, as transformações estão
associadas a troca de trabalho entre o sistema e o
meio. As funções de estado p, V e T podem variar,
mas sem que isso signifique uma troca de energia
em forma de calor.
O sistema poderá trocar com o ambiente,
energia em forma de trabalho. Por exemplo; o ambiente executará trabalho sobre o sistema diminuindo o volume deste sistema, e consequentemente
aumentando a sua pressão e a sua temperatura.
Acontecerá a variação da energia interna do sistema.
b. Processo isovolumétrico; volume constante.
Num processo isovolumétrico, não existe
troca de energia na forma de trabalho entre o sistema e o ambiente. As funções de estado p e T podem variar.
Poderão acontecer trocas de energia na forma de calor, entre o sistema e o ambiente. Por exemplo, o sistema absorverá calor do ambiente, e
mantendo o volume constante, acontecerá um aumento tanto da pressão quanto da temperatura.
Acontecerá a variação da energia interna
do sistema.
c. Processo isobárico; pressão constante.
Num processo isobárico poderá acontecer
troca de energia tanto em forma de calor como
em forma de trabalho. As funções de estado V e
T podem variar. Por exemplo, absorve calor e
recebe trabalho do ambiente, e acontece um
aumento do volume, sem que aconteça variação
da pressão.
Acontecerá a variação da energia interna do sistema.
d. Processo isotérmico; temperatura constante.
Num processo isotérmico poderá acontecer troca de energia tanto em forma de calor
como em forma de trabalho. As funções de estado p e V podem variar. Por exemplo, absorve
calor e recebe trabalho do ambiente, e acontece
um aumento da pressão e volume, sem que aconteça variação da temperatura.
Não acontecerá a variação da energia
interna do sistema.