Processos Adiabáticos: Definição, Equação e Exemplos

A termodinâmica é um ramo da física que estuda processos pelos quais a energia térmica pode mudar de forma. Freqüentemente, gases ideais são especificamente estudados porque, além de serem muito mais simples de entender, muitos gases podem ser aproximados como ideais.

Um estado termodinâmico particular é definido por variáveis ​​de estado. Isso inclui pressão, volume e temperatura. Ao estudar os processos pelos quais um sistema termodinâmico muda de um estado para outro, você pode obter uma compreensão mais profunda da física subjacente.

Vários processos termodinâmicos idealizados descrevem como os estados de um gás ideal podem sofrer alterações. O processo adiabático é apenas um deles.

O estado de um gás ideal em qualquer ponto no tempo pode ser descrito pelas variáveis ​​de estado pressão, volume e temperatura. Essas três quantidades são suficientes para determinar a condição atual do gás e não são de forma alguma dependentes de como o gás obteve seu estado atual.

Outras quantidades, como energia interna e entropia, são funções dessas variáveis ​​de estado. Novamente, as funções de estado também não dependem de como o sistema entrou em seu estado particular. Eles dependem apenas das variáveis ​​que descrevem o estado em que se encontram.

As funções de processo, por outro lado, descrevem um processo. Calor e trabalho são funções de processo em um sistema termodinâmico. O calor só é trocado durante a mudança de um estado para outro, assim como o trabalho só pode ser feito quando o sistema muda de estado.

Um processo adiabático é um processo termodinâmico que ocorre sem transferência de calor entre o sistema e seu ambiente. Em outras palavras, o estado muda, o trabalho pode ser feito no ou pelo sistema durante essa mudança, mas nenhuma energia de calor é adicionada ou removida.

Uma vez que nenhum processo físico pode acontecer instantaneamente e nenhum sistema pode ser verdadeiramente isolado com perfeição, uma condição perfeitamente adiabática nunca pode ser alcançada na realidade. No entanto, pode ser aproximado e muito pode ser aprendido estudando-o.

Quanto mais rápido ocorrer um processo, mais próximo ele poderá ser da adiabática, pois menos tempo haverá para a transferência de calor.

A primeira lei da termodinâmica afirma que a mudança na energia interna de um sistema é igual à diferença entre o calor adicionado ao sistema e o trabalho realizado pelo sistema. Na forma de equação, isso é:

OndeEé a energia interna,Qé o calor adicionado ao sistema eCé o trabalho realizado pelo sistema.

Uma vez que não há troca de calor em um processo adiabático, então deve ser o caso que:

Em outras palavras, se a energia deixa o sistema, é o resultado do sistema trabalhando, e se a energia entra no sistema, ela resulta diretamente do trabalho realizado no sistema.

Quando um sistema se expande adiabaticamente, o volume aumenta enquanto nenhum calor é trocado. Esse aumento de volume constitui um trabalho que está sendo feito pelo sistema no meio ambiente. Portanto, a energia interna deve diminuir. Como a energia interna é diretamente proporcional à temperatura do gás, isso significa que a mudança de temperatura será negativa (a temperatura cai).

A partir da lei dos gases ideais, você pode obter a seguinte expressão para pressão:

Ondené o número de moles,Ré a constante de gás ideal,Té a temperatura eVé o volume.

Para expansão adiabática, a temperatura desce enquanto o volume sobe. Isso significa que a pressão também deve diminuir porque, na expressão acima, o numerador diminuiria enquanto o denominador aumentaria.

Na compressão adiabática, ocorre o inverso. Uma vez que uma diminuição no volume indica que o trabalho está sendo feito no sistema pelo ambiente, isso seria produzir uma mudança positiva na energia interna correspondente a um aumento de temperatura (final superior temperatura).

Se a temperatura aumentar enquanto o volume diminui, a pressão também aumenta.

Um exemplo que ilustra um processo aproximadamente adiabático frequentemente mostrado em cursos de física é a operação de uma seringa de fogo. Uma seringa de incêndio consiste em um tubo isolado que é fechado em uma extremidade e contém um êmbolo na outra extremidade. O êmbolo pode ser empurrado para baixo para comprimir o ar no tubo.

Se um pequeno pedaço de algodão ou outro material inflamável for colocado no tubo em temperatura ambiente, o êmbolo será empurrado para baixo muito rapidamente, o estado do gás no tubo mudará com o mínimo de calor sendo trocado com o exterior. O aumento da pressão no tubo que ocorre na compressão faz com que a temperatura dentro do tubo suba dramaticamente, o suficiente para que o pequeno pedaço de algodão entre em combustão.

UMApressão-volumeO diagrama (P-V) é um gráfico que representa a mudança no estado de um sistema termodinâmico. Nesse diagrama, o volume é traçado nox-eixo, e a pressão é plotada noy-eixo. Um estado é indicado por um (x, y) ponto correspondente a uma pressão e volume específicos. (Observação: a temperatura pode ser determinada a partir da pressão e do volume usando a lei dos gases ideais).

Conforme o estado muda de uma pressão e volume específicos para outra pressão e volume, uma curva pode ser desenhada no diagrama indicando como a mudança de estado ocorreu. Por exemplo, um processo isobárico (no qual a pressão permanece constante) seria semelhante a uma linha horizontal em um diagrama P-V. Outras curvas podem ser desenhadas conectando os pontos inicial e final e, consequentemente, resultariam em diferentes quantidades de trabalho sendo realizadas. É por isso que a forma do caminho no diagrama é relevante.

Um processo adiabático se apresenta como uma curva que obedece ao relacionamento:

Ondecé a proporção de calores específicos c_p/ c_v (​c_pé o calor específico do gás para pressão constante, ec_vé o calor específico para volume constante). Para um gás monoatômico ideal,c= 1,66, e para o ar, que é principalmente um gás diatômico,c​ = 1.4

Motores térmicos são motores que convertem energia térmica em energia mecânica por meio de algum tipo de ciclo completo. Em um diagrama P-V, um ciclo da máquina térmica formará um circuito fechado, com o estado da máquina terminando onde começou, mas trabalhando no processo de chegar lá.

Muitos processos funcionam apenas em uma direção; no entanto, os processos reversíveis funcionam igualmente bem para a frente e para trás, sem quebrar as leis da física. Um processo adiabático é um tipo de processo reversível. Isso o torna particularmente útil em uma máquina de calor, pois significa que não converte qualquer energia em uma forma irrecuperável.

Em uma máquina térmica, o trabalho total realizado pela máquina é a área contida dentro do ciclo do ciclo.

Outros processos termodinâmicos discutidos em mais detalhes em outros artigos incluem:

Processos isobáricos, que ocorrem sob pressão constante. Elas se parecerão com linhas horizontais em um diagrama P-V. O trabalho realizado em um processo isobárico é igual ao valor da pressão constante multiplicado pela mudança no volume.

Processo isocórico, que ocorre em volume constante. Elas se parecem com linhas verticais em um diagrama P-V. Devido ao fato de que o volume não muda durante esses processos, nenhum trabalho é feito.

Os processos isotérmicos ocorrem a temperatura constante. Como os processos adiabáticos, eles são reversíveis. No entanto, para que um processo seja perfeitamente isotérmico, ele deve manter um equilíbrio constante, o que significaria que teria que ocorrer infinitamente lentamente, em contraste com o requisito instantâneo para um adiabático processar.