Processo isotérmico é uma transformação termodinâmica a temperatura constante. Essa é uma variação do estado de um sistema físico durante o qual a temperatura do sistema permanece constante.
Como a energia interna de um gás ideal depende apenas da temperatura e, em um processo isotérmico, permanece constante em expansão, o calor retirado do foco é igual ao trabalho realizado pelo gás: Q = W. De acordo com a primeira lei de termodinâmica
Termostatos são dispositivos que podem manter um valor de temperatura constante nesse tipo de processo termodinâmico.
A lei de Boyle descreve a transformação isotérmica de um gás perfeito. “A pressão exercida por uma força química é inversamente proporcional à massa gasosa, desde que a temperatura permaneça constante. (Se o volume aumentar, a pressão diminuirá e se o volume diminuir, a pressão aumentará). ”
O processo isobárico é o mesmo, mas mantém a pressão constante.
Exemplos de processos isotérmicos
Processos isotérmicos podem ocorrer em qualquer tipo de sistema que possua alguns meios de regular a temperatura. Abaixo listamos alguns exemplos:
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As mudanças de fase de diferentes líquidos através do processo de fusão e evaporação são isotérmicas.
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Certos ciclos de motores térmicos; por exemplo, a máquina de Carnot. Parte do ciclo de Carnot é realizada e a temperatura permanece constante.
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As reações no refrigerador são isotérmicas e uma temperatura constante é mantida.
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Na biologia, as interações de uma célula com as células circundantes são feitas através de processos isotérmicos.
Processos isotérmicos em gases ideais
Na física e termodinâmica, os processos isotérmicos são de especial interesse para os gases ideais. Isso é consequência da segunda lei de Joule. Esta lei afirma que a energia interna de uma quantidade fixa de um gás ideal depende apenas da temperatura.
Portanto, em um processo isotérmico, a energia interna de um gás ideal é constante. Este é o resultado do fato de que em um gás ideal não há forças intermoleculares. A energia interna depende da temperatura, pressão e volume.
Nesse processo, é realizado um trabalho que altera o volume e a pressão. Este trabalho envolve uma variação da energia interna e tende a aumentar a temperatura. Manter a temperatura constante requer troca de calor com o exterior.
Em uma expansão isotérmica, a energia térmica é absorvida; em uma compressão, a energia térmica é liberada. A quantidade de calor transferido é a mesma do trabalho realizado. Para que o gás se expanda, ele deve ser fornecido com calor.
Comparação do trabalho entre o processo isotérmico e o adiabático
O processo adiabático é tomado como referência teórica "ideal". Ele mostra o comportamento sem perda térmica, o que significa uma eficiência energética de exatamente 100%.
Trabalho necessário para compressão isotérmica
O trabalho realizado no sistema necessário para a compressão isotérmica é maior que o trabalho necessário para a mesma compressão adiabática. Isso significa que o gás aquecido por compressão é mais quente que a temperatura ambiente. No caso isotérmico, a energia térmica pode deixar o sistema.
O trabalho adicional corresponde à energia térmica do sistema perdido.
Eficiência energética teórica
Portanto, a eficiência energética teórica da compressão isotérmica é menor do que o processo adiabático (100%). Daqui resulta que a eficiência energética teórica de uma compressão isotérmica é inferior a 100%.
É encontrado, por exemplo, no estudo do ciclo de Carnot.
Trabalho resultante de uma expansão
O trabalho resultante de uma expansão isotérmica é maior que o trabalho resultante da mesma expansão adiabática. O resfriado a gás pela expansão é mais frio que a temperatura ambiente. No caso isotérmico, o calor pode entrar no sistema. O trabalho adicional observado para a expansão isotérmica corresponde à energia térmica obtida pelo sistema.
Consequentemente, a eficiência energética teórica de uma expansão isotérmica é maior que a mesma expansão em um processo adiabático (100%). Daqui resulta que a eficiência energética teórica de uma expansão isotérmica é superior a 100%, o que é encontrado, por exemplo, no estudo de uma máquina de refrigeração.
