O que é um processo isotérmico? (Exemplos, exercícios)

Última actualización: março 4, 2024
Autor: y7rik

Um processo isotérmico é um tipo de transformação termodinâmica em que a temperatura do sistema permanece constante ao longo de todo o processo. Isso significa que a energia interna do sistema permanece constante, enquanto o calor e o trabalho trocados com o ambiente são equilibrados de forma a manter a temperatura constante.

Um exemplo comum de processo isotérmico é a expansão de um gás em um cilindro com pistão, mantendo a temperatura constante ao longo do processo. Outro exemplo seria a compressão isotérmica de um gás em um ciclo de refrigeração.

Exercícios envolvendo processos isotérmicos podem incluir o cálculo do trabalho realizado ou do calor trocado durante a transformação, utilizando as equações termodinâmicas apropriadas. É importante ter em mente que, em um processo isotérmico, a variação de energia interna é nula, o que simplifica os cálculos.

Transformação isotérmica: conceito e exemplos práticos de sua aplicação na termodinâmica.

Um processo isotérmico é aquele em que a temperatura do sistema permanece constante ao longo de toda a transformação. Isso significa que a energia térmica é trocada com o ambiente de forma que a temperatura se mantenha constante. Esse tipo de transformação é comum em sistemas termodinâmicos, onde a temperatura é controlada para garantir a estabilidade do processo.

Um exemplo prático de um processo isotérmico é a compressão de um gás ideal em um cilindro com pistão móvel. Se o gás é comprimido lentamente e de forma controlada, a temperatura do sistema se mantém constante durante todo o processo. Isso ocorre porque a energia térmica gerada pela compressão é dissipada para o ambiente, mantendo a temperatura do sistema constante.

Outro exemplo de processo isotérmico é a expansão de um gás em um motor térmico. Nesse caso, a temperatura do sistema é controlada para garantir que a expansão do gás ocorra de forma eficiente, sem variações bruscas de temperatura que possam afetar o funcionamento do motor.

Esse tipo de processo é comum em sistemas termodinâmicos, onde a temperatura é controlada para garantir a estabilidade e eficiência do processo.

Significado do processo isotérmico: variação de temperatura constante em um sistema termodinâmico.

O processo isotérmico é um conceito fundamental na termodinâmica que se refere a uma variação de temperatura constante em um sistema termodinâmico. Isso significa que, durante todo o processo, a temperatura do sistema permanece a mesma, sem sofrer alterações. Em outras palavras, a energia térmica é trocada com o ambiente de forma que a temperatura se mantenha constante.

Um exemplo comum de processo isotérmico é a expansão de um gás ideal em um cilindro com pistão adiabático. Nesse caso, o gás se expande lentamente, de modo que a temperatura do sistema se mantém constante. Outro exemplo é a compressão de um gás em um sistema fechado, onde a temperatura do gás permanece a mesma ao longo do processo.

Para entender melhor o conceito de processo isotérmico, podemos realizar exercícios simples. Por exemplo, podemos calcular a quantidade de calor trocada durante um processo isotérmico, utilizando a equação Q = nRTln(Vf/Vi), onde Q representa o calor trocado, n é a quantidade de matéria, R é a constante dos gases, T é a temperatura e Vf e Vi são os volumes final e inicial, respectivamente.

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É importante compreender esse conceito para analisar e resolver problemas relacionados à termodinâmica.

Passo a passo para criar uma conta mantendo a temperatura constante.

Um processo isotérmico é um tipo de transformação termodinâmica em que a temperatura do sistema permanece constante durante todo o processo. Isso significa que a energia interna do sistema permanece a mesma, mesmo que haja trocas de calor com o ambiente.

Para criar uma conta mantendo a temperatura constante, siga os seguintes passos:

Passo 1: Escolha um recipiente adequado para armazenar o sistema e garantir que a temperatura seja mantida de forma uniforme.

Passo 2: Adicione o material necessário ao recipiente, garantindo que a temperatura inicial seja a desejada para o processo isotérmico.

Passo 3: Certifique-se de que o recipiente está bem isolado termicamente para evitar trocas de calor com o ambiente.

Passo 4: Monitore constantemente a temperatura do sistema e faça os ajustes necessários para mantê-la constante ao longo do processo.

Um exemplo prático de processo isotérmico é a expansão de um gás ideal em um pistão isolado termicamente. Durante a expansão, a temperatura do gás permanece constante, garantindo que a energia interna do sistema não se altere.

Para fixar o conceito, você pode tentar resolver o seguinte exercício: um mol de um gás ideal sofre uma expansão isotérmica de 2 litros para 10 litros a uma temperatura de 300 K. Qual é o trabalho realizado pelo gás durante o processo?

Espero que este artigo tenha esclarecido o que é um processo isotérmico e como criar uma conta mantendo a temperatura constante. Lembre-se de sempre manter a temperatura sob controle para garantir a eficácia do processo.

Entenda o significado de uma reação isotérmica e suas características principais de temperatura constante.

Um processo isotérmico é aquele em que a temperatura permanece constante ao longo de toda a reação. Isso significa que a energia térmica trocada com o ambiente é exatamente igual à energia absorvida ou liberada durante a reação, mantendo a temperatura constante. Esse tipo de processo é muito comum em sistemas termodinâmicos, onde a temperatura é um parâmetro importante a ser controlado.

As características principais de uma reação isotérmica são a temperatura constante e a ausência de variação térmica durante todo o processo. Isso permite que as equações termodinâmicas sejam mais facilmente aplicadas, pois a temperatura é um valor conhecido e constante.

Um exemplo de processo isotérmico é a expansão de um gás ideal a temperatura constante. Nesse caso, a temperatura do gás permanece constante durante todo o processo de expansão, mantendo a energia térmica do sistema inalterada.

Para ilustrar melhor o conceito, podemos pensar em um exercício simples: imagine um recipiente com um gás ideal a uma temperatura inicial de 300K. Se esse gás se expandir isotermicamente, mantendo a temperatura constante, qual será a temperatura final do gás após a expansão? A resposta é que a temperatura final também será de 300K, pois em um processo isotérmico a temperatura não varia.

O que é um processo isotérmico? (Exemplos, exercícios)

O que é um processo isotérmico? (Exemplos, exercícios)

A isotérmica processo isotérmico ou é um processo termodinâmico reversível na qual a temperatura permanece constante. Em um gás, há situações em que uma mudança no sistema não produz variações de temperatura, mas de características físicas.

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Essas mudanças são as mudanças de fase, quando a substância muda de sólido para líquido, de líquido para gás ou vice-versa. Nesses casos, as moléculas da substância reajustam sua posição, adicionando ou removendo energia térmica.

A energia térmica necessária para que uma mudança de fase ocorra em uma substância é chamada calor latente ou calor de transformação.

Uma maneira de tornar um processo isotérmico é colocar a substância que será o sistema em estudo em contato com um depósito térmico externo, que é outro sistema com alta capacidade calórica. Dessa maneira, ocorre uma troca de calor tão lenta que a temperatura permanece constante.

Esse tipo de processo ocorre com frequência na natureza. Por exemplo, nos seres humanos quando a temperatura corporal aumenta ou diminui, nos sentimos doentes, porque em nosso corpo inúmeras reações químicas que sustentam a vida ocorrem a uma temperatura constante. Isso é verdade para animais de sangue quente em geral.

Outros exemplos incluem gelo que derrete no calor da primavera e cubos de gelo que esfriam a bebida.

 Exemplos de processos isotérmicos

-O metabolismo dos animais de sangue quente é realizado a uma temperatura constante.

-Quando a água ferve, ocorre uma mudança de fase, de líquido para gás, e a temperatura permanece constante a aproximadamente 100 º C, pois outros fatores podem influenciar o valor.

O derretimento do gelo é outro processo isotérmico frequente, assim como colocar água no freezer para fazer cubos de gelo.

– Motores de automóveis, geladeiras e muitos outros tipos de máquinas funcionam corretamente em uma certa faixa de temperatura. Dispositivos chamados termostatos são usados ​​para manter a temperatura adequada . Vários princípios operacionais são usados ​​em seu design.

O ciclo de Carnot

Um motor Carnot é uma máquina ideal a partir da qual o trabalho é obtido graças a processos totalmente reversíveis. É uma máquina ideal porque não considera processos que dissipam energia, como a viscosidade da substância que faz o trabalho, nem o atrito.

O ciclo de Carnot consiste em quatro estágios, dois dos quais são precisamente isotérmicos e os outros dois adiabáticos. Os estágios isotérmicos são a compressão e expansão de um gás responsável pela produção de trabalho útil.

Um motor de automóvel opera com princípios semelhantes. O movimento de um pistão dentro do cilindro é transmitido para outras partes do carro e produz movimento. Não possui o comportamento de um sistema ideal como o do motor de Carnot, mas os princípios termodinâmicos são comuns.

Cálculo do trabalho realizado em um processo isotérmico

Para calcular o trabalho realizado por um sistema quando a temperatura é constante, é preciso usar a primeira lei da termodinâmica, que afirma:

ΔU = Q – W

Esta é outra maneira de expressar a conservação de energia no sistema, apresentada através de ΔU ou mudança de energia, Q como o calor fornecido e, finalmente , W , que é o trabalho realizado pelo referido sistema.

Suponha que o sistema em questão seja um gás ideal contido no cilindro de um pistão em movimento da área A , que funciona quando seu volume V muda de V 1 para V 2 .

A equação de estado de gás ideal é PV = nRT , que relaciona o volume com a pressão P e temperatura T . Os valores de n e R são constantes: n é o número de mols do gás e R a constante dos gases. No caso de um processo isotérmico, o produto fotovoltaico é constante.

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Bem, o trabalho realizado é calculado através da integração de um pequeno trabalho diferencial, no qual uma força F produz um pequeno deslocamento dx:

dW = Fdx = PAdx

Como Adx é exatamente a variação do volume dV , então:

dW = PoE

Para obter o trabalho total em um processo isotérmico, a expressão de dW é integrada:

A pressão P e o volume V são plotados em um diagrama fotovoltaico como o mostrado na figura e o trabalho realizado é equivalente à área sob a curva:

Como ΔU = 0, já que a temperatura permanece constante, em um processo isotérmico, temos que:

Q = W

– Exercício 1

Um cilindro com um pistão móvel contém um gás ideal a 127 ºC. Se o pistão se deslocar para 10 vezes o volume inicial, mantendo a temperatura constante, encontre o número de mols de gás contido no cilindro, se o trabalho realizado no gás for 38.180 J.

Dados : R = 8,3 J / mol. K

Solução

A afirmação afirma que a temperatura permanece constante, então estamos na presença de um processo isotérmico. Para o trabalho realizado no gás, temos a equação deduzida anteriormente:

127 º C = 127 + 273 K = 400 K

Resolva para n, o número de moles:

n = W / RT ln (V2 / V1) = -38 180 J / 8,3 J / mol K x 400 K x ln (V 2 / 10V 2 ) = 5 moles

Um sinal negativo foi colocado antes do trabalho. O leitor atento deve ter notado na seção anterior que W foi definido como “o trabalho realizado pelo sistema” e possui um sinal de +. Portanto, o “trabalho realizado no sistema” carrega um sinal negativo.

– Exercício 2

Há ar em um cilindro com um pistão. Inicialmente, existem 0,4 m 3 de gás sob pressão de 100 kPa e 80 º C de temperatura. O ar é comprimido para 0,1 m 3, garantindo que a temperatura no interior do cilindro permaneça constante durante o processo.

Determine quanto trabalho é feito durante esse processo.

Solução

Usamos a equação para o trabalho deduzido anteriormente, mas o número de moles é desconhecido, o que pode ser calculado com a equação do gás ideal:

80 º C = 80 + 273 K = 353 K.

P 1 V 1 = nRT → n = P 1 V 1 / RT = 100000 Pa x 0,4 m 3 / 8,3 J / mol. K x 353 K = 13,65 mol

W = nRT ln (V 2 / V 1 ) = 13,65 mole x 8,3 J / mol. K x 353 K x ln (0,1 / 0,4) = -55.442,26 J

Novamente, o sinal negativo indica que o trabalho foi realizado no sistema, o que sempre acontece quando o gás é comprimido.

Referências

  1. Bauer, W. 2011. Física para Engenharia e Ciências. Volume 1. Mc Graw Hill.
  2. Cengel, Y. 2012. Termodinâmica. 7 ma Edition. McGraw Hill.
  3. Figueroa, D. (2005). Série: Física para Ciência e Engenharia. Volume 4. Fluidos e Termodinâmica. Editado por Douglas Figueroa (USB).
  4. Knight, R. 2017. Física para cientistas e engenharia: uma abordagem estratégica.
  5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentos de Física. 9 na Aprendizagem Cengage.
  6. Wikipedia. Processo isotérmico. Recuperado de: en.wikipedia.org.

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