Processos termodinâmicos: tipos e exemplos

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

O sistema pode ser macroscópico (um trem, um foguete, um vulcão) e 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.

Processos termodinâmicos: tipos e exemplos 1

No entanto, não existe apenas o fluxo de calor, mas os sistemas também podem gerar alterações em algumas variáveis ​​de seu ambiente em resposta ao fenômeno considerado. De acordo com as leis termodinâmicas, deve haver uma compensação entre resposta e 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 ​​consideradas para definir seus estados de energia (em essência, o inicial e o final).

No entanto, 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 é o dos gases ideais (PV = nRT), onde n é o número de moles, que pela divisão em volume V é obtido o volume molar.

Então, expressando as mudanças entre o sistema ao redor com base nessas variáveis, outras podem ser definidas como trabalho (PV = W), indispensável para máquinas e processos industriais.

Por outro lado, outros tipos de variáveis ​​termodinâmicas são de maior interesse para fenômenos químicos. Elas estão diretamente relacionadas à liberação ou absorção de energia e dependem da natureza intrínseca das moléculas: a formação e os tipos de ligações.

Sistemas e fenômenos em processos termodinâmicos

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Na imagem acima, os três tipos de sistemas estão representados: fechado, aberto e adiabático.

No sistema fechado, não há transferência de matéria entre ela e seus arredores, de modo que nenhuma matéria possa 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 linhas pontilhadas, o que significa que tanto a energia quanto a matéria podem entrar e sair entre isso e o ambiente.

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

Fenômenos físicos e químicos

O que especificamente é 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? Resumidamente: no primeiro não há interrupção ou na criação de novos links, enquanto no segundo.

Assim, um processo termodinâmico pode ser considerado de acordo com o fato de o fenômeno ser físico ou químico. No entanto, ambos têm em comum uma alteração em algumas propriedades moleculares ou atômicas.

Exemplos de fenômenos físicos

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

Aqui, as moléculas de água não quebram nenhuma de suas ligações, mas 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 resultante da combustão do gás de cozinha e o volume de água.

A pressão atmosférica é constante, mas a temperatura da água não é, pois 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 o feijão dentro de uma panela de pressão? Nesse caso, o volume permanece constante (desde que a pressão não seja liberada quando os grãos são cozidos), mas a pressão e a temperatura mudam.

Isso ocorre porque o gás produzido não pode escapar e gira nas paredes da panela e na superfície do líquido. Fala-se então 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 estrutura molecular ou atômica. Quais são essas variáveis? Entalpia (H), entropia (S), energia interna (U) e energia livre de Gibbs (S).

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

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

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

Tipos e exemplos de processos termodinâmicos

Processos adiabáticos

São aqueles em que não há transferência líquida entre o sistema e seus arredores. A longo prazo, isso 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 de uma reação química (combustão, dissolução, oxidação, etc.).

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

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

Os processos adiabáticos são ideais para muitos processos industriais, nos quais a menor perda de calor implica um menor desempenho que se reflete 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 entrada no sistema.

Processos isotérmicos

Processos isotérmicos são todos aqueles em que a temperatura do sistema permanece constante. Isso é feito através do trabalho, para que as outras variáveis ​​(P e V) variem ao longo do tempo.

Exemplos

Exemplos deste tipo de processo termodinâmico são inúmeros. Em essência, grande parte da atividade celular ocorre a uma temperatura constante (a troca de íons e água através das membranas celulares). Nas reações químicas , todas as que estabelecem equilíbrios térmicos são consideradas processos isotérmicos.

O metabolismo humano consegue manter a temperatura do corpo constante (aproximadamente 37 ° C) através de uma ampla gama de reações químicas. Isto é conseguido graças à energia obtida dos alimentos.

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

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

Processos isobáricos

Nesses processos, a pressão no sistema permanece constante, variando seu volume e temperatura. Em geral, eles podem ocorrer em sistemas abertos à atmosfera ou em sistemas fechados cujos limites podem ser deformados pelo aumento de volume, de modo a neutralizar o aumento de 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, pois o sistema não tem como reduzir 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 nenhum trabalho (W = 0).

Basicamente, são fenômenos físicos ou químicos que são estudados em qualquer vaso, seja com agitação ou não.

Exemplos

Exemplos desses processos são o cozimento de alimentos, a preparação de café, o resfriamento de uma jarra de sorvete, a cristalização de açúcar, a dissolução de um precipitado levemente 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: cursos.washington.edu
  3. Estudo (9 de agosto de 2016). Processos termodinâmicos: isobárico, isocórico, isotérmico e adiabático. Retirado de: study.com
  4. Kevin Wandrei (2018). Quais são alguns exemplos cotidianos 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
  6. 15 Termodinâmica. [PDF]. Retirado de: wright.edu

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