Um processo isotérmico é uma transformação termodinâmica na qual a temperatura do sistema permanece constante durante todo o processo. Ou seja, embora o estado do sistema possa mudar em termos de pressão e volume, a temperatura não varia.
Esses tipos de processos são especialmente relevantes no estudo de gases ideais, pois, de acordo com a segunda lei de Joule, a energia interna de um gás ideal depende exclusivamente de sua temperatura. Portanto, se a temperatura for constante, a energia interna também será constante.
Em um processo isotérmico de um gás ideal, o calor trocado com o ambiente (Q) é igual ao trabalho realizado (W):
Isso significa que qualquer quantidade de calor absorvida pelo sistema é convertida em trabalho sem causar qualquer alteração na energia interna.
Exemplos de processos isotérmicos
Processos isotérmicos ocorrem em muitos sistemas naturais e tecnológicos. Alguns exemplos notáveis incluem:
Mudanças de fase : A fusão de um sólido ou a evaporação de um líquido ocorrem a temperatura constante. Por exemplo, quando o gelo derrete a 0 °C , ele absorve calor sem que sua temperatura mude até que toda a substância tenha passado para o estado líquido.- Ciclo de Carnot : Parte do ciclo de Carnot, um modelo teórico de uma máquina térmica ideal, envolve transformações isotérmicas. Durante essas fases, o sistema troca calor com o ambiente enquanto sua temperatura permanece inalterada.
- Refrigeradores e bombas de calor : Nestes aparelhos, certos processos termodinâmicos, como a evaporação do refrigerante no evaporador, são realizados a uma temperatura constante para extrair calor do interior do sistema e dissipá-lo para o exterior.
- Processos biológicos : Na biologia celular, muitas reações metabólicas e processos de troca de energia ocorrem em condições isotérmicas, já que as células mantêm sua temperatura relativamente estável.
- Expansão de um balão de hélio : Quando um balão sobe na atmosfera, seu volume se expande devido à diminuição da pressão externa. Se o processo ocorrer lentamente e o balão trocar calor com o ar ao redor, a temperatura do gás dentro do balão pode permanecer constante, aproximando-se de um processo isotérmico.
- Compressão lenta de um gás em um pistão com paredes altamente condutoras de calor : Se um gás for comprimido lentamente em um cilindro com paredes altamente condutoras de calor, o sistema pode transferir o calor gerado para o exterior, garantindo que a temperatura não mude.
- Sistemas geotérmicos profundos : Em algumas camadas profundas da Terra, a temperatura permanece quase constante devido ao equilíbrio térmico com o ambiente circundante. A troca de calor nesses sistemas ocorre sem variações significativas de temperatura, aproximando-se de condições isotérmicas.
- Processos de liquefação de gases industriais : Na indústria química, certos processos de liquefação e vaporização de gases como oxigênio ou nitrogênio ocorrem a temperatura constante, por meio da regulação precisa do calor trocado com o sistema.
- Evaporação em panela aberta : Quando a água ferve a 100 °C à pressão atmosférica, a energia fornecida é usada exclusivamente para mudar o estado líquido para vapor sem aumentar a temperatura, sendo um processo isotérmico.
- Compressão de gás em cilindros de mergulho : Quando um gás é comprimido lentamente em um cilindro de mergulho, o calor gerado pela compressão é dissipado para o ambiente, permitindo que a temperatura do gás permaneça constante. Esse processo se aproxima de uma transformação isotérmica se a compressão for lenta o suficiente para que o sistema troque calor com o ambiente.
Regulação da temperatura
Para manter uma temperatura constante durante um processo isotérmico, o sistema deve estar em contato com um termostato ou uma fonte térmica com uma capacidade de calor muito maior.
Este dispositivo garante que qualquer calor absorvido ou liberado seja imediatamente compensado para evitar variações de temperatura.
Processos isotérmicos em gases ideais
Gases ideais fornecem uma estrutura teórica ideal para analisar processos isotérmicos. Durante a compressão ou expansão isotérmica, o gás permanece em contato com um sistema de alta capacidade calorífica que garante que a temperatura não varie.
Compressão isotérmica
Quando um gás ideal é comprimido isotermicamente, seu volume diminui e sua pressão aumenta. Para manter uma temperatura constante, o gás deve liberar calor para o ambiente em uma quantidade exatamente igual ao trabalho realizado sobre ele.
Expansão isotérmica
Em uma expansão isotérmica, o gás aumenta seu volume e diminui sua pressão. Nesse caso, o calor deve ser fornecido ao sistema para compensar o trabalho realizado pelo gás à medida que ele se expande.
Matematicamente, o trabalho realizado por um gás ideal em uma expansão ou compressão isotérmica é expresso como:
onde:
- \(W \) é o trabalho realizado,
- \(n \) é o número de mols do gás,
- \(R \) é a constante dos gases ideais,
- \(T \) é a temperatura absoluta,
- \(V_f \) e \(V_i \) são os volumes final e inicial, respectivamente.