Transformação termodinâmica

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Equilíbrio térmico entre corpos.

Transformações termodinâmicas regem todos os princípios voltados para gases ideais, por exemplo a mudança de um estado para outro, a partir dessa modificação o sistema sofre um processo ou transformação. Esse fenômeno pode ser reversível ou irreversível dependendo de suas condições. Além disso, para se conhecer as propriedades termodinâmicas de um gás é de fundamental importância conhecer suas variáveis de estado: temperatura, pressão e volume. O equilíbrio térmico pode ser definido como o estado de equilíbrio de um corpo em relação a outro, que por um tempo suficientemente longo deixa de apresentar mudanças em sua temperatura. Portanto no equilíbrio todos os corpos apresentam a mesma temperatura.  

Transformações notáveis[editar | editar código-fonte]

  • Transformação isobárica

A transformação isobárica acontece a pressão constante, no caso de uma expansão isobárica a temperatura e o volume aumentam, visto que ambas são diretamente proporcionais, essa transformação também é conhecida como Lei Volumétrica de Gay- Lussac.

Variação do volume em função da temperatura.
Variação do volume em função da temperatura.

Essa relação de proporcionalidade pode ser exposta matematicamente por:

Se a temperatura dobrar, o volume também dobrará, se a temperatura triplicar, o mesmo ocorrerá com o volume e assim sucessivamente:

Essa relação pode ser reproduzida por outra forma:

Segundo a primeira lei da Termodinâmica descrita pela equação seguinte

ΔU = Q – W

O trabalho pode ser descrito como a área do retângulo.

Analisando para o caso da transformação isobárica:

  • Quando o volume e a temperatura aumentam, ocorre uma expansão sua energia interna será: ΔU > 0.
  • Quando o volume e a temperatura diminuem ocorre uma contração, o que acarretará uma diminuição da energia interna, logo: ΔU < 0

O trabalho que ocorre em uma transformação isobárica é escrito em função da variação do volume ΔV, como:

W= p.∆V

Para encontrar o trabalho , deve-se calcular a área total sombreada no gráfico, pois:

W = Área

  • Transformação Isotérmica

Transformação isotérmica (conhecida também como lei de boyle ) , ocorre quando um gás ideal sofre um processo onde sua temperatura se mantém constante , podendo haver troca de calor com o ambiente ou seja Q ≠ 0 .Os processo isotérmicos podem ocorrem em qualquer meio , desde que se tenha como regular a temperatura.Mudanças de fases podem ser consideradas transformações isotérmicas.As transformações isotérmicas podem ser de expansão ou compressão do gás, em um diagrama p-V a curva isotérma é a curva que liga pontos de uma mesma temperatura T .A energia interna de um gás ideal é constante neste tipo de processo , por não haver interação entre as moléculas ( dU=0 ) , se uma quantidade de calor é dada a um sistema que sofre uma transformação isotérmica a relação para com a primeira lei da termodinâmica é :

Isto significa que todo o calor fornecido será utilizado para realizar trabalhos externos e consequentemente o valor será muito elevado em comparação com outros processos.

Neste tipo de transformação onde a temperatura é constante a variação de volume é inversamente proporcional a variação de pressão , sendo pressão descrita como p e volume como v , podemos descrever matematicamente uma transformação isotérmica como:

Essa constante depende da temperatura em que ocorre a transformação, se a amostra de gás possui um volume Vi a uma pressão Pi , passa a ter uma pressão Pf e um volume Vf :

O trabalho envolvido quando um gás passa do estado A para o estado B é definido como :

Trabalho realizado em uma transformação isotérmica.

Para um processo isotérmico reversível , esta integral é igual à área sob a isoterma pressão-volume relevante e é indicada em laranja para um gás ideal (visualizar gráfico ao lado). Novamente, se aplica e com T sendo constante (como este é um processo isotérmico), temos:

indica que se trata de um logaritmo natural , de base e. No caso de uma expansão temos Vf maior que Vi , portanto a razão é maior que 1 . O de um numero maior que 1 é positivo , portanto como era de se esperar o W realizado pela expansão de um gás ideal durante uma transformação exotérmica é positivo, já ao contrario o W realizado pela compressão de um gás ideal é negativo , pois temos Vf menor que Vi , e por sua vez a razão é menor que 1.

Vale ressaltar também que a equação acima não permite calcular o trabalho em qualquer processo termodinâmico; só pode ser usada quando a temperatura é constante , se a temperatura varia a variável T não pode ser colocada do lado de fora da integral.

Transformação Isocórica[editar | editar código-fonte]

Do grego isocoros, significa ”volume igual” e pode ser chamada também de transformação isovolumétrica ou isométrica, é a transformação em um gás ideal que acontece com volume constante e em um sistema fechado, que permite a troca de energia mas não de matéria (ver Transformação isocórica).

Pesquisas acerca de processos desse tipo levaram á formulação da segunda Lei de Gay-Lussac-Charles, dois cientistas franceses, Jacques Alexandre César Charles e Joseph Louis Gay-Lussac, que estudaram gases ideais e chegaram ao seguinte postulado: “Mantendo-se constante o volume, as pressões de uma massa gasosa variam linearmente com a temperatura” e tem a seguinte equação:

, em que b é o coeficiente de dilatação do gás, P a pressão do gás à TºC e Po a pressão a 0ºC.

Essa transformação também pode ser equacionada partindo da Lei dos Gases ideais, da seguinte forma:

    

      

onde: P1 é pressão inicial, T1 é a temperatura inicial em Kelvin, P2: é a pressão final, T2: é a temperatura final em Kelvin, R é a constante universal dos gases perfeitos e n o número de mols da amostra.

Trabalho de uma Transformação Isocórica

Trabalho depende da constante de variação de volume, em um sistema de transformação isocórica, como não há variação de volume, não pode haver trabalho. Ao igualar trabalho à zero (W = 0) na primeira Lei da Termodinâmica, temos:

em que ΔU é a variação da energia interna e Q é a quantidade de calor recebido ou cedido pelo sistema.

Ver também[editar | editar código-fonte]

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