Vários processos termodinâmicos idealizados descrevem como os estados de um gás ideal podem sofrer alterações. O processo isobárico é apenas um deles.
O que é o estudo da termodinâmica?
A termodinâmica é o estudo das mudanças que ocorrem nos sistemas devido à transferência de energia térmica (energia térmica). Sempre que dois sistemas de temperatura diferente estiverem em contato um com o outro, a energia térmica será transferida do sistema mais quente para o sistema mais frio.
Muitas variáveis diferentes afetam como essa transferência de calor ocorre. As propriedades moleculares dos materiais envolvidos afetam a rapidez e facilidade com que a energia térmica é capaz de se mover de um sistema para outro, pois exemplo, e a capacidade de calor específico (a quantidade de calor necessária para aumentar uma unidade de massa em 1 grau Celsius) afeta o resultado final temperaturas.
Quando se trata de gases, muitos outros fenômenos interessantes ocorrem quando a energia térmica é transferida. Os gases são capazes de se expandir e contrair significativamente, e como eles fazem isso depende do recipiente em que estão confinados, da pressão do sistema e da temperatura. Compreender como os gases funcionam, portanto, é importante para compreender a termodinâmica.
Teoria Cinética e Variáveis de Estado
A teoria cinética fornece uma maneira de modelar um gás para que a mecânica estatística possa ser aplicada, resultando eventualmente na capacidade de definir um sistema por meio de um conjunto de variáveis de estado.
Considere o que é um gás: um monte de moléculas capazes de se mover livremente em torno umas das outras. Para entender um gás, faz sentido examinar seus componentes mais básicos - as moléculas. Mas, não surpreendentemente, isso se torna complicado muito rapidamente. Imagine o grande número de moléculas em apenas um copo cheio de ar, por exemplo. Não existe um computador poderoso o suficiente para rastrear as interações de tantas partículas umas com as outras.
Em vez disso, modelando o gás como uma coleção de partículas em movimento aleatório, você pode começar para entender o quadro geral em termos de velocidades quadradas médias das partículas, para exemplo. Torna-se conveniente começar a falar da energia cinética média das moléculas em vez de identificar a energia associada a cada partícula individual.
Essas quantidades levam à capacidade de definir variáveis de estado, que são quantidades que descrevem o estado de um sistema. As principais variáveis de estado discutidas aqui serão pressão (a força por unidade de área), volume (a quantidade de espaço que o gás ocupa) e temperatura (que é uma medida da energia cinética média por molécula). Ao estudar como essas variáveis de estado se relacionam entre si, você pode obter uma compreensão dos processos termodinâmicos em uma escala macroscópica.
Lei de Charles e a Lei do Gás Ideal
Um gás ideal é um gás em que as seguintes suposições são feitas:
As moléculas podem ser tratadas como partículas pontuais, não ocupando espaço. (Para que seja esse o caso, a alta pressão não é permitida, ou as moléculas ficarão próximas o suficiente para que seus volumes se tornem relevantes.)
As forças intermoleculares e as interações são desprezíveis. (A temperatura não pode ser muito baixa para ser esse o caso. Quando a temperatura está muito baixa, as forças intermoleculares começam a desempenhar um papel relativamente maior.)
As moléculas interagem umas com as outras e com as paredes do recipiente em colisões perfeitamente elásticas. (Isso permite a suposição de conservação de energia cinética.)
Uma vez que essas suposições são feitas, alguns relacionamentos se tornam aparentes. Entre elas estão a lei dos gases ideais, que é expressa na forma de equação como:
PV = nRT = NkT
OndePé pressão,Vé o volume,Té a temperatura,né o número de moles,Né o número de moléculas,Ré a constante universal do gás,ké a constante de Boltzmann enR = Nk.
Intimamente relacionada à lei do gás ideal está a lei de Charles, que afirma que, para pressão constante, o volume e a temperatura são diretamente proporcionais, ouV / T= constante.
O que é um processo isobárico?
Um processo isobárico é um processo termodinâmico que ocorre a pressão constante. Neste reino, a lei de Charles se aplica, uma vez que a pressão é mantida constante.
Os tipos de processos que podem acontecer quando a pressão é mantida constante incluem a expansão isobárica, em que o volume aumenta enquanto a temperatura diminui, e a contração isobárica, em que o volume diminui enquanto a temperatura aumenta.
Se você já cozinhou uma refeição de micro-ondas que exige que você corte uma abertura no plástico antes de colocá-lo no micro-ondas, isso se deve à expansão isobárica. Dentro do micro-ondas, a pressão dentro e fora da bandeja de comida coberta de plástico é sempre a mesma e sempre equilibrada. Mas, à medida que a comida cozinha e esquenta, o ar dentro da bandeja se expande como resultado do aumento da temperatura. Se não houver ventilação disponível, o plástico pode se expandir a ponto de estourar.
Para uma rápida experiência de compressão isobárica em casa, coloque um balão inflado em seu freezer. Novamente, a pressão dentro e fora do balão sempre estará em equilíbrio. Mas, à medida que o ar no balão esfria, ele encolherá como resultado.
Se qualquer recipiente em que o gás estiver está livre para expandir e contrair, e a pressão externa permanecer constante, então qualquer processo será isobárico porque qualquer diferença nas pressões causaria expansão ou contração até que essa diferença seja resolvido.
Processos Isobáricos e a Primeira Lei da Termodinâmica
A primeira lei da termodinâmica afirma que a mudança na energia internavocêde um sistema é igual à diferença entre a quantidade de energia térmica adicionada ao sistemaQe trabalho de rede feito pelo sistemaC. Na forma de equação, isso é:
\ Delta U = Q - W
Lembre-se de que a temperatura era a energia cinética média por molécula. A energia interna total é então a soma das energias cinéticas de todas as moléculas (com um gás ideal, as energias potenciais são consideradas desprezíveis). Portanto, a energia interna do sistema é diretamente proporcional à temperatura. Como a lei dos gases ideais relaciona pressão e volume com temperatura, a energia interna também é proporcional ao produto de pressão e volume.
Portanto, se a energia térmica for adicionada ao sistema, a temperatura aumentará, assim como a energia interna. Se o sistema funcionar no meio ambiente, essa quantidade de energia é perdida para o meio ambiente e a temperatura e a energia interna diminuem.
Em um diagrama PV (gráfico de pressão vs. volume), um processo isobárico se parece com um gráfico de linha horizontal. Uma vez que a quantidade de trabalho realizado durante um processo termodinâmico é igual à área sob a curva PV, o trabalho realizado em um processo isobárico é simplesmente:
W = P \ Delta V
Processos isobáricos em motores de calor
Os motores térmicos convertem energia térmica em energia mecânica por meio de algum tipo de ciclo completo. Isso normalmente requer que um sistema se expanda em algum ponto durante o ciclo, a fim de trabalhar e transmitir energia a algo externo.
Considere um exemplo em que um frasco Erlenmeyer é conectado por meio de um tubo plástico a uma seringa de vidro. Confinada neste sistema está uma quantidade fixa de ar. Se o êmbolo da seringa estiver livre para deslizar, agindo como um pistão móvel, então, ao colocar o frasco em um banho de calor (uma banheira de água quente), o ar se expandirá e levantará o êmbolo, fazendo o trabalho.
Para completar o ciclo dessa máquina de calor, o frasco precisaria ser colocado em um banho frio para que a seringa pudesse retornar ao seu estado inicial novamente. Você pode adicionar uma etapa adicional de ter o êmbolo usado para levantar uma massa ou fazer alguma outra forma de trabalho mecânico enquanto ela se move.
Outros processos termodinâmicos
Outros processos discutidos com mais detalhes em outros artigos incluem:
Isotérmicoprocessos, nos quais a temperatura é mantida constante. Em temperatura constante, a pressão é inversamente proporcional ao volume, e a compressão isotérmica resulta em um aumento na pressão, enquanto a expansão isotérmica resulta em uma diminuição na pressão.
Em umisocóricodurante o processo, o volume do gás é mantido constante (o recipiente que contém o gás é mantido rígido e incapaz de se expandir ou contrair). Aqui, a pressão é diretamente proporcional à temperatura. Nenhum trabalho pode ser feito no ou pelo sistema, uma vez que o volume não muda.
Em umadiabáticoprocesso, nenhum calor é trocado com o meio ambiente. Em termos da primeira lei da termodinâmica, isso significaQ= 0, portanto, qualquer mudança na energia interna corresponde diretamente ao trabalho que está sendo feito no ou pelo sistema.