Processos Reversíveis e Irreversíveis
Consideremos um sistema qualquer que experimenta um processo espontâneo
que o leva de um estado de equilíbrio a outro estado de equilíbrio. Como o processo é
espontâneo, os estados intermediários não são, genericamente falando, estados de
equilíbrio.
Se o processo é efetuado muito lentamente, desenvolvendo-se em etapas
infinitesimais, o sistema tem tempo suficiente para atingir um estado de equilíbrio
antes que uma nova perturbação aconteça. Nesse caso, dizemos que o processo é
quase-estático. Nesse tipo de processo, o sistema se encontra, em qualquer instante
de tempo, ou num estado de equilíbrio ou num estado muito próximo de um estado de
equilíbrio. Assim, podemos considerar, com aproximação muito boa, que um processo
quase-estático é constituído por uma sucessão de estados de equilíbrio.
Se, além de ser quase-estático, o processo pode ser invertido por uma
variação infinitesimal em qualquer propriedade do sistema, ele também é reversível.
Em outras palavras, um processo é reversível se pode ser invertido, com o sistema
passando pelos mesmos estados intermediários de equilíbrio na ordem inversa.
A importância dos processos reversíveis reside nos seguintes fatos. A energia
cedida pelo sistema à vizinhança, por trabalho, numa expansão adiabática, é máxima
quando o processo é reversível. E inversamente, a energia recebida pelo sistema, por
trabalho, da vizinhança, numa compressão adiabática, é mínima quando o processo é
reversível.
Para discutir concretamente os processos reversíveis e irreversíveis, vamos
considerar, como exemplo, uma amostra de gás confinada em um cilindro com um
pistão que pode se mover sem atrito. Além disso, vamos considerar que tanto o
cilindro quanto o pistão estão termicamente isolados.
Podemos comprimir essa amostra de gás através de um processo quaseestático colocando grãos de areia sobre o pistão, um a um, lentamente. O processo
resultante é reversível porque pode ser invertido se retirarmos os grãos de areia um a
um, lentamente, na ordem inversa de sua colocação (Fig.7).
Se existe atrito entre o pistão e o cilindro, o pistão só pode ser colocado em
movimento se adicionarmos certo número mínimo de grãos de areia de uma só vez
porque, por assim dizer, o atrito prende o pistão ao cilindro. Nesse caso, o processo
de compressão não pode ser quase-estático nem reversível.
O processo de transferência de energia por calor, de um corpo com certa
temperatura para outro corpo com temperatura menor, é irreversível porque ocorre
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espontaneamente em um único sentido, do corpo com temperatura maior para o corpo
com temperatura menor.
Também é irreversível qualquer processo que converta energia mecânica em
energia interna. Por exemplo, quando dois objetos em contato mútuo se movem um
em relação ao outro, o atrito faz com que a energia mecânica se transforme em
energia interna. Sabemos que essa transformação ocorre porque as temperaturas dos
corpos aumentam. O processo inverso, isto é, a transformação do excesso de energia
interna em energia mecânica, não pode ocorrer sem que a vizinhança dos corpos seja
perturbada. Dessa forma, embora os corpos possam voltar à sua condição inicial, o
processo é irreversível porque a vizinhança vai ficar num estado diferente do seu
estado original.
Variáveis Independentes
Por uma questão de simplicidade, na maior parte das discussões e aplicações
que vamos desenvolver nesse caderno, tomaremos, por sistema, uma amostra de gás
ideal com número de mols constante. Já vimos que, do ponto de vista geral da
Termodinâmica, os estados de equilíbrio de uma amostra de gás ideal ficam definidos
pelas quatro propriedades P, V, T e n. Contudo, sendo n constante, dessas quatro
propriedades, três podem ser consideradas variáveis: P, V e T. Por outro lado,
podemos calcular qualquer uma dessas três variáveis em função das outras duas
usando, para isso, a equação de estado. Desta forma, apenas duas são, realmente,
independentes: P e V, P e T ou V e T. Conforme a situação, podemos escolher
qualquer um desses pares para representar os estados de equilíbrio do sistema.
Nesse caderno, vamos privilegiar as variáveis P e V. Por isso, os estados de equilíbrio
termodinâmico são representados por pontos no plano PV. As transformações
reversíveis, nas quais o sistema passa por uma sucessão de estados de equilíbrio,
são representadas por curvas no plano PV. As figuras 4, 5 e 6 da seção anterior, por
exemplo, representam processos reversíveis.
Exercício 1
Discuta se o fenômeno em que uma pedra rola ladeira abaixo é reversível ou
irreversível.
Exercício 2
Discuta um exemplo de transformação isobárica reversível.
Exercício 3
Os corpos A e B, com temperaturas diferentes, são colocados em contato e
trocam energia por calor. Quando suas temperaturas se igualam e termina a troca de
energia por calor, eles são separados. Discuta se o processo global é reversível ou
irreversível.
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