A termodinâmica é o ramo da física que estuda as trocas de energia e matéria nos sistemas. Um de seus conceitos fundamentais é o estado termodinâmico , que descreve completamente um sistema em termos de um conjunto de variáveis que permitem prever seu comportamento.
Os sistemas termodinâmicos são caracterizados por uma série de propriedades físicas, químicas e mecânicas que determinam o seu estado, podendo este ser manipulado ou alterado através de processos termodinâmicos.
O que é um estado termodinâmico?
Um estado termodinâmico é o conjunto de todas as variáveis de estado de um sistema termodinâmico em um determinado momento. Essas variáveis podem incluir, mas não estão limitadas a, temperatura, pressão, volume, energia interna e entalpia.
Variáveis de estado são aquelas magnitudes que permitem descrever completamente a condição de um sistema. Em outras palavras, não importa como o sistema chegou a esse estado; a única coisa que importa é o valor das variáveis no momento atual.
Um exemplo simples é um gás contido em um recipiente fechado, como o pistão de uma máquina térmica. Para descrever o estado do gás é necessário conhecer sua pressão, volume e temperatura. Uma vez determinadas essas variáveis, o estado do sistema está completamente definido.
Variáveis de estado
Variáveis de estado ou parâmetros de estado são as grandezas físicas que descrevem o estado de um sistema termodinâmico em equilíbrio sem a necessidade de conhecer sua história anterior.
Estes podem ser classificados em dois tipos:
- Variáveis extensivas : São aquelas que dependem da quantidade de matéria do sistema, como volume, energia interna, entalpia e massa.
- Variáveis intensivas : Não dependem da quantidade de matéria, como temperatura, pressão e densidade.
Para qualquer sistema, a combinação de um número adequado destas variáveis de estado é suficiente para descrever completamente o seu estado termodinâmico.
As relações entre essas variáveis são determinadas pelas equações de estado.
Funções do Estado e sua importância
Uma função de estado é qualquer propriedade de um sistema que depende exclusivamente do estado atual do sistema, independentemente do caminho ou processo pelo qual atingiu esse estado.
As funções de estado são fundamentais em termodinâmica porque nos permitem prever como o sistema irá mudar sem ter que traçar toda a sua história. Isso simplifica muito as análises termodinâmicas.
Exemplos de funções de estado
Alguns exemplos de funções de estado incluem:
- Energia interna (U) : É a soma da energia cinética e potencial de todas as partículas de um sistema.
- Entalpia (H) : Representa a energia total de um sistema, incluindo tanto a energia interna quanto o produto de sua pressão e volume.
- Entropia (S) : É uma medida da desordem ou aleatoriedade em um sistema.
- Pressão (P) : Força exercida pelo sistema por unidade de área.
- Temperatura (T) : Uma medida da energia cinética média das partículas no sistema.
- Volume (V) : Espaço ocupado pelo sistema.
As equações de estado: relação entre variáveis de estado
Equações de estado são relações matemáticas que ligam as variáveis de estado de um sistema.
Em geral, as equações de estado fornecem uma forma de prever como as propriedades de um sistema mudarão em resposta a mudanças nas condições externas, como temperatura ou pressão.
Para um gás ideal, por exemplo, a equação de estado é a bem conhecida equação do gás ideal:
P·V=n·R·T
Onde:
- P é a pressão,
- V é o volume,
- n é a quantidade de substância (em moles),
- R é a constante do gás ideal, e
- T é a temperatura absoluta.
Para sistemas mais complexos, como gases, líquidos ou sólidos reais, as equações de estado podem ser muito mais complicadas.
O equilíbrio termodinâmico
Um conceito fundamental em termodinâmica é o de equilíbrio termodinâmico. Um sistema está em estado de equilíbrio quando suas propriedades macroscópicas não mudam com o tempo.
Isto implica que o sistema atingiu um estado onde as forças e fluxos de energia ou matéria estão equilibrados.
Existem vários tipos de equilíbrio que um sistema pode alcançar:
- Equilíbrio térmico : É alcançado quando a temperatura é uniforme em todo o sistema e não há fluxo de calor entre as diferentes partes do sistema ou com seu entorno.
- Equilíbrio mecânico : ocorre quando as forças internas e externas que atuam no sistema estão equilibradas, de modo que não há movimento líquido da matéria ou mudanças na pressão.
- Equilíbrio de fases : Ocorre quando a massa de cada fase de um sistema permanece constante ao longo do tempo. Um exemplo clássico é um sistema em que um líquido e seu vapor coexistem em equilíbrio.
- Equilíbrio químico : Ocorre quando as reações químicas dentro de um sistema atingem um ponto em que as taxas de reação direta e reversa são iguais e as concentrações dos reagentes e produtos não mudam.
Em termos práticos, um sistema que atingiu o equilíbrio termodinâmico não sofre mais alterações espontâneas nas suas propriedades macroscópicas.
Diagramas de estado termodinâmico
Uma forma útil de representar os estados e transições de um sistema é através de diagramas termodinâmicos . Esses diagramas permitem visualizar como as variáveis de estado de um sistema mudam durante um processo.
- Diagrama PV (Pressão-Volume) : É um dos mais comuns e é utilizado para representar processos em sistemas de gás. Neste diagrama, a área sob a curva num processo isobárico (pressão constante) representa o trabalho realizado pelo sistema.
- Diagrama TS (Temperatura-Entropia) : Este diagrama é particularmente útil na análise de ciclos termodinâmicos, como o ciclo de Carnot. A área sob a curva num circuito fechado num diagrama TS representa o calor trocado.
- Diagrama HS (Entalpia-Entropia) ou Diagrama de Mollier : Amplamente utilizado em engenharia para estudar turbinas, compressores e outros equipamentos de potência.
Processos termodinâmicos
Os sistemas termodinâmicos podem sofrer processos termodinâmicos , que são transições de um estado de equilíbrio para outro. Durante esses processos, as variáveis de estado mudam e podem ocorrer trocas de energia e matéria com o meio ambiente.
Alguns tipos comuns de processos são:
- Processo isobárico : Ocorre a pressão constante.
- Processo isocórico : É realizado a volume constante.
- Processo isotérmico : Ocorre a uma temperatura constante.
- Processo adiabático : Não há troca de calor com o meio ambiente.
As leis da termodinâmica e dos estados termodinâmicos
As leis da termodinâmica são princípios fundamentais que governam os estados e processos termodinâmicos.
- Lei Zero da Termodinâmica: Afirma que se dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terceiro sistema, então eles estão em equilíbrio térmico entre si. Isto significa que não haverá fluxo líquido de calor entre estes sistemas quando estiverem em contacto entre si, o que implica que todos tenham a mesma temperatura.
- Primeira lei da termodinâmica (conservação de energia): Afirma que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas pode ser transformada de uma forma para outra. Em termos de um sistema termodinâmico, a variação na energia interna é igual ao calor adicionado menos o trabalho realizado pelo sistema.
- Segunda lei da termodinâmica : Introduz o conceito de entropia e afirma que em qualquer processo espontâneo, a entropia total do sistema e do seu ambiente sempre aumenta. Isso significa que processos irreversíveis tendem a aumentar a desordem.
- Terceira lei da termodinâmica : Postula que, à medida que se aproxima do zero absoluto, a entropia de um sistema se aproxima de um valor mínimo, podendo, em alguns casos, atingir o valor zero em sistemas perfeitamente ordenados.
Exemplos de estados termodinâmicos:
Aqui estão vários exemplos de estados termodinâmicos para vários sistemas:
Sistema de fluido de transferência de calor em um coletor solar
Um fluido de transferência de calor, como o glicol, flui através de um coletor solar térmico, atingindo uma temperatura de 120°C (393 K) sob uma pressão de 2 atm.
O fluido é utilizado para transferir a energia térmica absorvida pelos coletores para um trocador de calor para aquecer água ou gerar vapor.
Este estado descreve o fluido térmico aquecido por energia solar em um sistema de energia solar térmica.
Tanque de armazenamento de calor solar
Um tanque de armazenamento de energia térmica contendo água aquecida a 90°C por energia solar térmica sob uma pressão de 1,5 atm.
Este é um estado comum em sistemas de armazenamento de calor solar, onde a água quente é posteriormente utilizada para aquecimento ou para gerar vapor numa central solar de concentração (CSP).
As variáveis relevantes são temperatura, pressão e volume de água.
Sistema de vapor gerado por energia solar
Vapor de água a 200°C (473 K) gerado por um campo de coletores solares térmicos que concentram a radiação solar.
O vapor tem 15 atm e é utilizado para acionar uma turbina em um sistema de geração de eletricidade por meio de energia solar concentrada (CSP).
Aqui, a radiação solar é a fonte de energia para aumentar a energia interna da água, convertendo-a em vapor que realiza trabalho na turbina.
Sistema de troca de calor por energia solar
Sistema onde um fluido, como o óleo térmico, flui através de tubos que absorvem a radiação solar, atingindo uma temperatura de 300°C e uma pressão de 3 atm.
O calor do fluido é então transferido para um sistema de troca de calor para aquecer água e produzir vapor. Este é um componente típico de uma usina solar térmica, onde o óleo térmico transporta a energia solar absorvida.
Sistema de refrigerante em um ciclo de refrigeração
Um refrigerante, como o R-134a , circula num ciclo de compressão de vapor, utilizado num sistema de refrigeração. Em um estágio, o refrigerante está no estado de vapor a uma temperatura de -10°C e sob uma pressão de 2 atm após passar pelo evaporador. Este estado descreve o refrigerante no processo de absorção de calor do ambiente, aplicação comum em sistemas de ar condicionado e refrigeradores.
motor de combustão interna
No ciclo Otto de um motor de combustão interna, o ar e o combustível ficam em um cilindro logo após a combustão, a uma temperatura de 1500 K, pressão de 30 atm e volume pequeno (próximo ao volume mínimo do cilindro).
Este é um estado fundamental no ciclo operacional do motor, onde a mistura ar-combustível atinge sua temperatura e pressão máximas, acionando o pistão.
Sistema de ar comprimido em uma fábrica
Ar comprimido armazenado em tanque a 298 K (25°C), sob pressão de 8 atm e com volume de 50 litros.
O ar comprimido é usado para alimentar ferramentas pneumáticas ou sistemas de controle em uma fábrica. As variáveis de estado que descrevem o ar comprimido são temperatura, pressão e volume.
Sólido em estado de sublimação
Um bloco de gelo seco (dióxido de carbono sólido) exposto ao ar ambiente a uma temperatura ambiente de 20°C (293 K) e pressão atmosférica de 1 atm.
Nesse estado, o gelo seco sublima, passando diretamente do estado sólido para o gasoso, e sua massa diminui com o tempo. As variáveis de estado neste sistema incluem temperatura, pressão e massa do sólido/gás, neste processo de transição de fase.