Na termodinâmica, o estudo das propriedades de um sistema permite-nos compreender como a energia, o trabalho e o calor interagem dentro desse sistema.
Uma propriedade termodinâmica é qualquer característica de um sistema que pode ser medida ou calculada e que descreve seu estado. As propriedades nos permitem entender como um sistema pode sofrer mudanças de energia, trabalho e calor durante um processo. Estas propriedades dividem-se em dois tipos principais: propriedades intensivas , que não dependem da quantidade de matéria, e propriedades extensivas , que dependem da quantidade de matéria no sistema.
Propriedades termodinâmicas intensivas
Propriedades intensivas são aquelas que não dependem da quantidade de matéria presente no sistema. Isto significa que se um sistema for dividido em partes menores, o valor de uma propriedade intensiva permanece o mesmo em cada parte. As propriedades intensivas descrevem a natureza intrínseca de uma substância ou sistema, independentemente do tamanho ou quantidade de material.
Um exemplo clássico para ilustrar isso é a temperatura . Se você tiver um litro de água a 25°C e dividir em dois recipientes de meio litro, a temperatura ainda será de 25°C em ambos os recipientes. Da mesma forma, outras propriedades intensivas, como pressão, densidade e volume específico, não são afetadas pelo tamanho do sistema.
Exemplos de propriedades intensivas
- Densidade : Densidade é a relação entre a massa de uma substância e o volume que ela ocupa. Sua fórmula é:
Densidade=Massa / Volume
Não importa se é uma amostra pequena ou um grande volume de substância, a densidade permanece constante, desde que a temperatura e a pressão não mudem. - Volume específico : O volume específico é o volume ocupado por uma unidade de massa de uma substância. É o inverso da densidade:
Volume específico=1 / Densidade
É outra propriedade intensiva, pois não depende da quantidade total de substância presente, mas de como o volume está distribuído em relação à massa. - Pressão : Pressão é a força que um sistema exerce por unidade de área em seus limites. Por exemplo, num gás confinado, a pressão não se altera ao dividir o volume, desde que as condições de temperatura e quantidade de gás não sejam alteradas.
- Temperatura : A temperatura é uma medida do estado térmico de uma substância e está relacionada à energia cinética média das partículas do sistema. É uma propriedade intensiva porque seu valor independe do tamanho ou quantidade da substância.
- Composição : A composição química de uma substância, tal como a sua concentração ou a proporção dos componentes numa mistura, é outra propriedade intensiva. Por exemplo, a salinidade de uma solução salina permanece a mesma, independentemente da quantidade de solução existente.
Importância das propriedades intensivas
As propriedades intensivas desempenham um papel crucial na identificação e caracterização de materiais e sistemas, uma vez que são independentes do tamanho ou quantidade de matéria.
Isto é especialmente útil em processos industriais e científicos, onde uma pequena amostra de material pode ser analisada para obter informações aplicáveis a uma quantidade maior.
Extensas propriedades termodinâmicas
As propriedades extensivas , por outro lado, dependem diretamente da quantidade de matéria presente no sistema.
Se um sistema for dividido em duas partes, o valor de uma propriedade extensiva também será dividido entre essas duas partes. Por exemplo, o volume de um sistema é uma propriedade extensiva: se você tiver um volume de 1 m³ e dividir em duas partes iguais, cada parte terá um volume de 0,5 m³.
Propriedades extensas somam-se a um sistema composto de subsistemas. Por exemplo, se você tiver dois subsistemas com massas diferentes, a massa total do sistema será a soma das massas dos subsistemas.
Exemplos de propriedades extensas
- Massa : Massa é uma medida da quantidade de matéria em um sistema. Claramente, depende do tamanho do sistema. Se você dividir um sistema em partes, a massa de cada parte será proporcional ao tamanho da peça.
- Volume : Volume é o espaço ocupado por uma substância. Tal como a massa, é uma propriedade extensiva porque o volume de um sistema é a soma do volume de todas as suas partes.
- Energia Interna : A energia interna é a soma de todas as energias microscópicas de um sistema, incluindo as energias cinética e potencial das moléculas que o compõem. É uma propriedade extensa, pois depende da quantidade total de matéria no sistema.
- Entalpia : Entalpia é uma medida da energia total de um sistema, incluindo a energia interna e a energia necessária para deslocar seu ambiente a pressão constante. É extenso porque depende da quantidade de matéria no sistema.
- Entropia : Entropia é uma medida de desordem ou a quantidade de energia que não pode ser convertida em trabalho em um sistema. É uma propriedade extensiva porque, quanto maior a quantidade de matéria, maior a desordem e a entropia total do sistema.
Relação entre propriedades extensivas e intensivas
Uma propriedade extensiva pode ser convertida em propriedade intensiva quando expressa em termos de unidade de massa, volume ou moles. Por exemplo:
- Densidade : É obtida pela divisão da massa (extensa) pelo volume (extenso), o que resulta em uma propriedade intensiva.
- Volume específico : É obtido pela divisão do volume (extenso) pela massa (extenso), o que gera uma propriedade intensiva.
Este tipo de transformação é útil para normalizar propriedades e fazer comparações entre sistemas de diferentes tamanhos.
Relação entre propriedades e equações de estado
As relações entre as propriedades termodinâmicas de um sistema são determinadas pelas equações de estado .
Uma equação de estado é uma relação matemática que conecta várias propriedades intensivas e extensivas de um sistema, permitindo prever o comportamento do sistema sob diferentes condições.
A equação de estado mais comumente conhecida é a equação dos gases ideais , que relaciona a pressão (P), o volume (V) e a temperatura (T) de um gás ideal à quantidade de substância (n) pelos gases ideais constantes (. R):
P·V=n·R·T
Em sistemas mais complexos, como líquidos e sólidos, são necessárias equações de estado mais elaboradas para relacionar as propriedades termodinâmicas.
Variáveis termodinâmicas
Variáveis termodinâmicas são quantidades físicas que descrevem o estado de um sistema em equilíbrio.
Assim como as propriedades, as variáveis termodinâmicas podem ser intensivas ou extensivas. Além disso, também são chamadas de funções de estado , pois dependem apenas do estado atual do sistema e não de como esse estado foi alcançado.
Funções de estado
Funções de estado são aquelas grandezas cujo valor depende exclusivamente do estado atual do sistema, independentemente do caminho percorrido para chegar a esse estado. Isso significa que não importa como uma determinada temperatura ou pressão foi atingida, o que importa é o valor final da variável, e não as etapas intermediárias.
Exemplos de funções de estado incluem energia interna, entalpia e entropia. Estas funções são essenciais para realizar análises energéticas e de eficiência em sistemas termodinâmicos.