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.
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
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
- Jones, Andrew Zimmerman. (17 de setembro de 2016). O que é um processo termodinâmico? Retirado de: thoughtco.com
- J. Wilkes (2014). Processos termodinâmicos. [PDF]. Retirado de: cursos.washington.edu
- Estudo (9 de agosto de 2016). Processos termodinâmicos: isobárico, isocórico, isotérmico e adiabático. Retirado de: study.com
- Kevin Wandrei (2018). Quais são alguns exemplos cotidianos da Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica? Hearst Seattle Media, LLC. Retirado de: education.seattlepi.com
- Lambert (2006). A Segunda Lei da Termodinâmica. Retirado de: entropysite.oxy.edu
- 15 Termodinâmica. [PDF]. Retirado de: wright.edu