Tipos e Exemplos de Processos Termodinâmicos

O processos termodinâmicos são fenômenos físicos ou químicos que envolvem um fluxo de calor (energia) ou trabalham entre um sistema e seus arredores. Ao falar de calor, racionalmente vem à mente a imagem do fogo, que é a manifestação por excelência de um processo que libera muita energia térmica.

O sistema pode ser tanto macroscópico (um trem, um foguete, um vulcão) quanto microscópico (átomos, bactérias, moléculas, pontos quânticos, etc.). Isso é separado do resto do universo para considerar o calor ou o trabalho que entra ou sai dele.

No entanto, não apenas o fluxo de calor existe, mas os sistemas também podem gerar mudanças em alguma variável de seu ambiente como resposta ao fenômeno considerado. De acordo com as leis termodinâmicas, deve haver uma compensação entre a resposta e o calor para que a matéria e a energia sejam sempre conservadas.

O acima é válido para sistemas macroscópicos e microscópicos. A diferença entre o primeiro e o último são as variáveis ​​que são consideradas para definir seus estados de energia (em essência, o inicial e o final).

Entretanto, os modelos termodinâmicos buscam conectar os dois mundos controlando variáveis ​​como pressão, volume e temperatura dos sistemas, mantendo algumas dessas constantes para estudar o efeito das outras.

O primeiro modelo que permite essa aproximação são os gases ideais (PV = nRT), onde n é o número de moles, que ao dividir entre o volume V o volume molar é obtido.

Então, expressando as mudanças entre sistemas baseados nessas variáveis, outras podem ser definidas como trabalho (PV = W), indispensável para máquinas e processos industriais.

Por outro lado, outro tipo de variável termodinâmica é de maior interesse para fenômenos químicos. Estas estão diretamente relacionadas à liberação ou absorção de energia e dependem da natureza intrínseca das moléculas: a formação e os tipos de ligações.

Índice

• 1 Sistemas e fenômenos em processos termodinâmicos
  • 1.1 Fenômenos físicos e químicos
  • 1.2 Exemplos de fenômenos físicos
  • 1.3 Exemplos de fenômenos químicos
• 2 Tipos e exemplos de processos termodinâmicos
  • 2.1 Processos adiabáticos
  • 2.2 Processos isotérmicos
  • 2.3 Processos isobáricos
  • 2.4 Processos isocóricos
• 3 referências

Sistemas e fenômenos em processos termodinâmicos

Na imagem acima, os três tipos de sistemas são representados: fechados, abertos e adiabáticos.

No sistema fechado não há transferência de matéria entre ela e seus arredores, de modo que nenhuma matéria pode entrar ou sair; No entanto, a energia pode atravessar as fronteiras da caixa. Em outras palavras: o fenômeno F pode liberar ou absorver energia, modificando o que está além da caixa.

Por outro lado, no sistema aberto, os horizontes do sistema têm suas linhas pontilhadas, o que significa que tanto a energia quanto a matéria podem ir e vir entre este e o ambiente.

Finalmente, em um sistema isolado, a troca de matéria e energia entre ele e o ambiente é nula; Por este motivo, na imagem a terceira caixa é incluída em uma bolha. É necessário esclarecer que o entorno pode ser o resto do universo, e que o estudo é o que define até que ponto considerar o escopo do sistema.

Fenômenos físicos e químicos

O que é especificamente o fenômeno F? Indicado pela letra F e dentro de um círculo amarelo, o fenômeno é uma mudança que ocorre e pode ser a modificação física da matéria ou sua transformação.

Qual é a diferença? Sucintamente: no primeiro não há quebra ou criação de novos links, enquanto no segundo.

Assim, um processo termodinâmico pode ser considerado se o fenômeno é físico ou químico. No entanto, ambos têm em comum uma mudança em alguma propriedade molecular ou atômica.

Exemplos de fenômenos físicos

O aquecimento de água em uma panela causa um aumento nas colisões entre suas moléculas, até o ponto em que a pressão de seu vapor é igual à pressão atmosférica, e então a mudança de fase de líquido para gás ocorre. Em outras palavras: a água evapora.

Aqui as moléculas de água não estão quebrando nenhuma das suas ligações, mas elas sofrem mudanças de energia; ou o que é o mesmo, a energia interna U da água é modificada.

Quais são as variáveis ​​termodinâmicas para este caso? A pressão atmosférica P_ex, a temperatura produzida pela combustão do gás de cozinha e o volume de água.

A pressão atmosférica é constante, mas a temperatura da água não é, desde que é aquecida; nem o volume, porque suas moléculas se expandem no espaço. Este é um exemplo de um fenômeno físico dentro de um processo isobárico; isto é, um sistema termodinâmico a pressão constante.

E se você colocar a água com um pouco de feijão dentro de uma panela de pressão? Neste caso, o volume permanece constante (desde que a pressão não seja liberada quando os grãos estiverem cozidos), mas a pressão e a temperatura mudam.

Isso ocorre porque o gás produzido não pode escapar e repercute sobre as paredes da panela e a superfície do líquido. Então falamos de outro fenômeno físico, mas dentro de um processo isocórico.

Exemplos de fenômenos químicos

Foi mencionado que existem variáveis ​​termodinâmicas inerentes a fatores microscópicos, como a estrutura molecular ou atômica. Quais são essas variáveis? A entalpia (H), a entropia (S), a energia interna (U) e a energia livre de Gibbs (S).

Essas variáveis ​​intrínsecas da matéria são definidas e expressas em termos das variáveis ​​termodinâmicas macroscópicas (P, T e V), de acordo com o modelo matemático selecionado (geralmente o dos gases ideais). Graças a isso, estudos termodinâmicos podem ser feitos para fenômenos químicos.

Por exemplo, você deseja estudar uma reação química do tipo A + B => C, mas a reação ocorre apenas a uma temperatura de 70 ° C. Além disso, em temperaturas acima de 100 ° C, em vez de produzir C, D é gerado.

Nestas condições, o reator (o conjunto onde a reação é realizada) deve garantir uma temperatura constante em torno de 70 ° C, portanto o processo é isotérmico.

Tipos e exemplos de processos termodinâmicos

Processos adiabáticos

São aqueles em que não há transferência líquida entre o sistema e seu entorno. Isso em longo prazo é garantido por um sistema isolado (a caixa dentro da bolha).

Exemplos

Um exemplo disso são os calorímetros, que determinam a quantidade de calor liberado ou absorvido por uma reação química (combustão, dissolução, oxidação, etc.).

Dentro dos fenômenos físicos está o movimento gerado pelo gás quente devido à pressão exercida nos pistões. Da mesma forma, quando uma corrente de ar faz pressão sobre uma superfície terrestre, sua temperatura aumenta, uma vez que é forçada a se expandir.

Por outro lado, se a outra superfície for gasosa e tiver densidade menor, sua temperatura diminuirá quando sentir uma pressão mais alta, forçando suas partículas a se condensarem.

Os processos adiabáticos são ideais para muitos processos industriais, nos quais a menor perda de calor implica um desempenho mais baixo, refletido nos custos. Para considerá-lo como tal, o fluxo de calor deve ser zero ou a quantidade de calor que entra deve ser igual à quantidade que entra no sistema.

Processos isotérmicos

Os processos isotérmicos são todos aqueles em que a temperatura do sistema permanece constante. Isso é feito trabalhando, de modo que as outras variáveis ​​(P e V) variem com o tempo.

Exemplos

Exemplos desse tipo de processo termodinâmico são inumeráveis. Em essência, muita atividade celular ocorre a uma temperatura constante (a troca de íons e água através das membranas celulares). Dentro de reações químicas, todos aqueles que estabelecem equilíbrios térmicos são considerados processos isotérmicos.

O metabolismo humano consegue manter a temperatura corporal constante (aproximadamente 37 ° C) através de uma ampla série de reações químicas. Isto é conseguido graças à energia que é obtida da comida.

Mudanças de fase também são processos isotérmicos. Por exemplo, quando um líquido congela, libera calor, impedindo que a temperatura diminua até que esteja completamente na fase sólida. Quando isso acontece, a temperatura pode continuar diminuindo, porque o sólido não libera mais energia.

Nos sistemas que envolvem gases ideais, a mudança da energia interna U é zero, então todo o calor é usado para realizar o trabalho.

Processos isobáricos

Nestes processos a pressão no sistema permanece constante, variando seu volume e temperatura. Em geral, elas podem ocorrer em sistemas abertos para a atmosfera, ou em sistemas fechados cujos limites podem ser deformados pelo aumento de volume, de forma a contrabalançar o aumento da pressão.

Exemplos

Nos cilindros dentro dos motores, quando o gás é aquecido, ele empurra o pistão, o que modifica o volume do sistema.

Se isso não acontecesse, a pressão aumentaria, já que o sistema não tem como reduzir as colisões de espécies gasosas nas paredes do cilindro.

Processos isocóricos

Nos processos isocóricos, o volume permanece constante. Também pode ser considerado como aquele em que o sistema não gera trabalho (W = 0).

Basicamente, são fenômenos físicos ou químicos que são estudados dentro de qualquer recipiente, seja com agitação ou não.

Exemplos

Exemplos desses processos são o cozimento de alimentos, a preparação de café, o resfriamento de uma garrafa de sorvete, a cristalização do açúcar, a dissolução de um precipitado fracamente solúvel, uma cromatografia de troca iônica, entre outros.

Referências

1. Jones, Andrew Zimmerman. (17 de setembro de 2016). O que é um processo termodinâmico? Retirado de: thoughtco.com
2. J. Wilkes. (2014). Processos termodinâmicos. [PDF] Retirado de: courses.washington.edu
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4. Kevin Wandrei (2018)Quais são alguns exemplos diários da primeira e segunda leis da termodinâmica? Hearst Seattle Media, LLC. Retirado de: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). A segunda lei da termodinâmica. Retirado de: entropysite.oxy.edu
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