Termodinâmica.
Transformação de energia

Energia térmica I combustão.
Efeitos da termodinâmica

Entropia

Processo isotérmico

Processo isotérmico

Na termodinâmica, um processo isotérmico é uma transformação termodinâmica a temperatura constante, ou seja, uma variação do estado de um sistema físico durante o qual a temperatura do sistema não muda com o tempo. Os dispositivos chamados termostatos podem manter um valor de temperatura constante.

A transformação isotérmica de um gás perfeito é descrita pela lei de Boyle que, em um diagrama pressão-volume (ou plano de Clapeyron), é representada por um ramo da hipérbole equilátero.

Isoterma de gás perfeito

Cálculo de calor e trabalho trocado

Para as transformações de gás isotérmico, a lei de Boyle-Mariotte é válida, segundo a qual a pressão e o volume são inversamente proporcionais; portanto, o produto a uma temperatura constante p · V é igual a uma constante que, para gases perfeitos, corresponde ao produto nRT.

A lei de Boyle é formulada matematicamente através da relação:

P · V = const.

Em um diagrama de pressão-volume (isto é, no plano de Clapeyron), é representado por uma hipérbole equilátero.

Agora consideramos uma transformação isotérmica finita reversível de um gás perfeito entre dois estados A e B a temperatura constante. Sendo a energia interna uma função do estado que depende apenas da temperatura terá dU = 0. Portanto, o trabalho feito por um gás perfeito durante uma expansão isotérmica reversível é facilmente calculado a partir da primeira lei da termodinâmica:

Cálculo do trabalho em processo isotérmico

Para a primeira lei da termodinâmica, o calor que deve ser fornecido ao gás para manter sua temperatura constante é exatamente igual ao trabalho, uma vez que a variação da energia interna, que depende apenas da temperatura, é igual a 0.

Cálculo da entropia

Da definição de entropia:

Fórmula de definição de entropia

No caso de uma transformação isotérmica de um gás perfeito, obtemos:

Fórmula do cálculo da entropia em processo isotérmico

do qual se vê que a entropia de uma isoterma aumenta para uma expansão.

Exemplos de processo isotérmico

Os processos isotérmicos podem ocorrer em qualquer tipo de sistema que tenha algum meio de regular a temperatura, incluindo máquinas altamente estruturadas e até células vivas. Algumas partes dos ciclos de alguns motores térmicos são realizadas de forma isotérmica (por exemplo, no ciclo de Carnot).

Na análise termodinâmica das reações químicas, é usual analisar primeiro o que acontece em condições isotérmicas e depois considerar o efeito da temperatura. Mudanças de fase, como derretimento ou evaporação, também são processos isotérmicos quando, como é geralmente o caso, ocorrem a pressão constante. Os processos isotérmicos são frequentemente utilizados e são um ponto de partida para analisar processos mais complexos e não isotérmicos.

Os processos isotérmicos são de especial interesse para os gases ideais. Esta é uma conseqüência da segunda lei de Joule que afirma que a energia interna de uma quantidade fixa de gás ideal depende apenas de sua temperatura. Portanto, em um processo isotérmico, a energia interna de um gás ideal é constante. Isto é o resultado do fato de que em um gás ideal não há forças intermoleculares. Observe que isso é verdade apenas para gases ideais; a energia interna depende da pressão, bem como a temperatura dos líquidos, sólidos e gases reais.

Na compressão isotérmica de um gás, o sistema trabalha para diminuir o volume e aumentar a pressão. Fazer o trabalho no gás aumenta a energia interna e tenderá a aumentar a temperatura. Para manter a temperatura constante, a energia deve deixar o sistema como calor e entrar no ambiente. Se o gás for ideal, a quantidade de energia que entra no ambiente é igual ao trabalho feito no gás, porque a energia interna não muda. Para detalhes dos cálculos, veja o cálculo do trabalho.

Para um processo adiabático, em que o calor não entra ou sai do gás porque o seu recipiente está bem isolado, Q = 0. Se ainda não há trabalho, isto é, uma expansão livre, não há mudança na energia interna. Para um gás ideal, isso significa que o processo também é isotérmico. Portanto, especificar que um processo é isotérmico não é suficiente para especificar um único processo.

Representação de uma transformação isotérmica

O nome isotérmico é indicado (ou mais completamente com o termo isoterma da curva), em um gráfico que representa um processo térmico ou mais transformações térmicas na seqüência, a parte do gráfico que representa uma transformação isotérmica, isto é, uma transformação que ocorre a temperatura constante

Comparação do trabalho entre o processo isotérmico eo processo adiabático

O processo adiabático é tomado como a referência teórica "ideal", que mostra o comportamento sem perda térmica, que é traduzido numericamente por uma eficiência energética de exatamente 100%.

O trabalho requerido para a compressão isotérmica é maior do que o trabalho necessário para a mesma compressão adiabática: o gás aquecido pela compressão é mais quente do que a temperatura ambiente, e no caso isotérmico, o calor pode deixar o sistema. O trabalho adicional observado para compressão isotérmica corresponde à energia térmica perdida pelo sistema.

Portanto, a eficiência energética teórica da compressão isotérmica é menor do que a eficiência energética da mesma compressão por um processo adiabático, que é 100%. Segue-se que a eficiência energética teórica de uma compressão isotérmica é inferior a 100%, que é encontrada, por exemplo, no estudo do ciclo de Carnot.

O trabalho resultante de uma expansão isotérmica é maior que o trabalho resultante da mesma expansão adiabática: o gás arrefecido pela expansão é mais frio do que a temperatura ambiente e, no caso isotérmico, o calor pode entrar no sistema. O trabalho adicional observado para a expansão isotérmica corresponde à energia térmica obtida pelo sistema.

Conseqüentemente, a eficiência de energia teórica de uma expansão isotérmica é maior que a eficiência energética da mesma expansão de acordo com um processo adiabático, que é 100%. Segue-se que a eficiência energética teórica de uma expansão isotérmica é superior a 100%, encontrada, por exemplo, no estudo de uma máquina de refrigeração.

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Última revisão: 8 de março de 2018