O processo isocórico é um dos vários processos termodinâmicos idealizados que descrevem como os estados de um gás ideal podem sofrer alterações. Descreve o comportamento do gás em um recipiente fechado com volume constante. Nessa situação, quando a energia é adicionada, apenas a temperatura do gás muda; não funciona em seu entorno. Portanto, nenhum motor gira, nenhum pistão se move e nenhuma saída útil acontece.
O que é um processo isocórico?
Um processo isocórico (às vezes chamado de processo isovolumétrico ou isométrico) é um processo termodinâmico que ocorre em um volume constante. Como o volume não muda, a relação entre pressão e temperatura mantém um valor constante.
Isso pode ser entendido começando com a lei do gás ideal:
PV = nRT
Onde P é a pressão absoluta do gás, V é o volume, n é a quantidade de gás, R é a constante de gás ideal (8,31 J / mol K), e T é a temperatura.
Quando o volume é mantido constante, esta lei pode ser reorganizada para mostrar que a proporção de P para T também deve ser uma constante:
\ frac {P} {T} = \ text {constante}
Esta expressão matemática da relação entre pressão e temperatura é conhecida como Lei de Gay-Lussac, assim chamado em homenagem ao químico francês que o inventou no início do século XIX. Outro resultado desta lei, que às vezes também é chamada de lei da pressão, é a capacidade de prever temperaturas e pressões para gases ideais submetidos a processos isocóricos usando a seguinte equação:
\ frac {P_1} {T_1} = \ frac {P_2} {T_2}
Onde P1 e T1 são a pressão e temperatura iniciais do gás, e P2 e T2 são os valores finais.
Em um gráfico de pressão versus temperatura, ou um diagrama PV, um processo isocórico é representado por uma linha vertical.
Teflon (PTFE), a substância não reativa e mais escorregadia do planeta, com aplicações em muitos indústrias do aeroespacial à culinária, foi uma descoberta acidental que resultou de um isochoric processar. Em 1938, o químico da DuPont Roy Plunkett montou um monte de pequenos cilindros para armazenar gás tetrafluoroetileno, para uso em tecnologias de refrigeração, que ele então resfriou a um extremo temperatura baixa.
Quando Plunkett abriu um deles mais tarde, nenhum gás saiu, embora a massa do cilindro não tivesse mudado. Ele abriu o tubo para investigar e viu um pó branco revestindo o interior, que mais tarde provou ter propriedades comerciais extremamente úteis.
De acordo com a Lei de Gay-Lussac, quando a temperatura diminuía rapidamente, o mesmo acontecia com a pressão para iniciar uma mudança de fase no gás.
Processos Isocóricos e a Primeira Lei da Termodinâmica
A primeira lei da termodinâmica afirma que a mudança na energia interna de um sistema é igual ao calor adicionado ao sistema menos o trabalho realizado pelo sistema. (Em outras palavras, entrada de energia menos saída de energia.)
O trabalho realizado por um gás ideal é definido como sua pressão vezes sua variação de volume, ou PΔV (ou PdV). Porque o volume muda ΔV, é zero em um processo isocórico, no entanto, nenhum trabalho é feito pelo gás.
Conseqüentemente, a mudança na energia interna do gás é simplesmente igual à quantidade de calor adicionada.
Um exemplo de aproximadamente processo isocórico é uma panela de pressão. Quando fechado, o volume interno não pode mudar, portanto, quando o calor é adicionado, a pressão e a temperatura aumentam rapidamente. Na verdade, as panelas de pressão se expandem ligeiramente e um pouco de gás é liberado de uma válvula no topo.
Processos isocóricos em motores de calor
Motores térmicos são dispositivos que aproveitam a transferência de calor para fazer algum tipo de trabalho. Eles usam um sistema cíclico para converter a energia térmica adicionada a eles em energia mecânica ou movimento. Os exemplos incluem turbinas a vapor e motores automotivos.
Os processos isocóricos são usados em muitos motores térmicos comuns. O Ciclo Otto, por exemplo, é um ciclo termodinâmico em motores de automóveis que descreve o processo de transferência de calor durante a ignição, o curso de potência mover os pistões do motor para fazer o carro andar, a liberação de calor e o curso de compressão retornando os pistões à sua partida posições.
No Ciclo Otto, a primeira e a terceira etapas, adição e liberação de calor, são consideradas processos isocóricos. O ciclo assume que as mudanças de calor ocorrem instantaneamente, sem mudança no volume do gás. Assim, o trabalho só é feito no veículo durante as fases de potência e de compressão.
O trabalho realizado por uma máquina térmica usando o ciclo de Otto é representado pela área sob a curva no diagrama. Este é zero onde os processos isocóricos de adição e liberação de calor estão ocorrendo (as linhas verticais).
Processos isocóricos como esses geralmente são processos irreversíveis. Depois que o calor é adicionado, a única maneira de retornar o sistema ao seu estado original é remover o calor de alguma forma, fazendo o trabalho.
Outros processos termodinâmicos
Os processos isocóricos são apenas um dos vários processos termodinâmicos idealizados que descrevem o comportamento de gases úteis para cientistas e engenheiros.
Alguns dos outros discutidos com mais detalhes em outras partes do site incluem:
Processo isobárico: Isso ocorre a uma pressão constante e é comum em muitos exemplos da vida real, incluindo água fervente em um fogão, acendendo um fósforo ou em turbinas a jato de ar. Isso ocorre porque, na maior parte, a pressão da atmosfera da Terra não está mudando muito em uma área local, como a cozinha em que alguém está fazendo macarrão. Assumindo que a lei dos gases ideais se aplica, a temperatura dividida pelo volume é um valor constante para um processo isobárico.
Processo isotérmico: Isso ocorre a uma temperatura constante. Por exemplo, durante uma mudança de fase, como água fervendo do topo de uma panela, a temperatura é estável. Os refrigeradores também usam processos isotérmicos e uma aplicação industrial é o Motor Carnot. Esse processo é lento porque o calor adicionado deve ser igual ao calor perdido como trabalho para manter a temperatura geral constante. Assumindo que a lei do gás ideal se aplica, a pressão vezes o volume é um valor constante para um processo isotérmico.
Processo adiabático: Não há troca de calor ou material com o ambiente à medida que um gás ou fluido muda de volume. Em vez disso, a única saída em um processo adiabático é o trabalho. Existem dois casos em que um processo adiabático pode ocorrer. Ou, o processo ocorre muito rapidamente para que o calor seja transferido para dentro ou para fora de todo o sistema, como durante o curso de compressão de um motor a gás, ou acontece em um contêiner que é tão bem isolado que o calor não pode cruzar o barreira em tudo.
Como os outros processos termodinâmicos explicados aqui, nenhum processo é verdadeiramente adiabático, mas aproximar-se desse ideal é útil em física e engenharia. Por exemplo, uma caracterização comum para compressores, turbinas e outras máquinas termodinâmicas é adiabática eficiência: a relação entre o trabalho real que a máquina produz e quanto trabalho ela produziria se fosse submetida a um verdadeiro processo adiabático.
