O que é um processo termodinâmico? Perguntas frequentes sobre física

Um sistema passa por um processo termodinâmico quando há algum tipo de alteração energética dentro do sistema, geralmente associada a alterações na pressão, volume, energia interna, temperatura ou qualquer tipo de transferência de calor.

Existem vários tipos específicos de processos termodinâmicos que ocorrem com freqüência suficiente (e em situações práticas) para que sejam comumente tratados no estudo da termodinâmica. Cada um tem uma característica única que o identifica e que é útil na análise das mudanças de energia e trabalho relacionadas ao processo.

• Processo adiabático - um processo sem transferência de calor para dentro ou para fora do sistema.
• Processo isocórico - um processo sem alteração de volume; nesse caso, o sistema não funciona.
• Processo isobárico - um processo sem mudança de pressão.
• Processo isotérmico - um processo sem mudança de temperatura.

É possível ter vários processos em um único processo. O exemplo mais óbvio seria um caso em que o volume e a pressão mudam, resultando em nenhuma mudança na temperatura ou na transferência de calor - esse processo seria tanto adiabático quanto isotérmico.

Em termos matemáticos, o primeira lei da termodinâmica pode ser escrito como:

delta- você = Q - W ou Q = delta- você + W
Onde

• delta-você = mudança do sistema na energia interna
• Q = calor transferido para dentro ou para fora do sistema.
• W = trabalho realizado pelo ou no sistema.

Ao analisar um dos processos termodinâmicos especiais descritos acima, frequentemente (embora nem sempre) encontramos um resultado muito feliz - uma dessas quantidades reduz a zero!

Por exemplo, em um processo adiabático, não há transferência de calor, portanto Q = 0, resultando em uma relação muito direta entre energia interna e trabalho: delta-Q = -W. Consulte as definições individuais desses processos para obter detalhes mais específicos sobre suas propriedades exclusivas.

A maioria dos processos termodinâmicos ocorre naturalmente de uma direção para outra. Em outras palavras, eles têm uma direção preferida.

O calor flui de um objeto mais quente para outro mais frio. Os gases se expandem para preencher uma sala, mas não se contraem espontaneamente para preencher um espaço menor. A energia mecânica pode ser convertida completamente em calor, mas é praticamente impossível converter calor completamente em energia mecânica.

No entanto, alguns sistemas passam por um processo reversível. Geralmente, isso acontece quando o sistema está sempre próximo do equilíbrio térmico, tanto dentro do próprio sistema como em qualquer ambiente. Nesse caso, alterações infinitesimais nas condições do sistema podem fazer com que o processo siga para o outro lado. Como tal, um processo reversível também é conhecido como processo de equilíbrio.

Exemplo 1: Dois metais (A e B) estão em contato térmico e Equilíbrio térmico. O metal A é aquecido uma quantidade infinitesimal, de modo que o calor flui dele para o metal B. Esse processo pode ser revertido resfriando A uma quantidade infinitesimal, altura em que o calor começará a fluir de B para A até que eles estejam novamente em equilíbrio térmico.

Exemplo 2: Um gás é expandido lenta e adiabaticamente em um processo reversível. Ao aumentar a pressão em uma quantidade infinitesimal, o mesmo gás pode comprimir lenta e adiabaticamente de volta ao estado inicial.

Deve-se notar que estes são exemplos um tanto idealizados. Para fins práticos, um sistema que está em equilíbrio térmico deixa de estar em equilíbrio térmico depois que uma dessas alterações é introduzida... portanto, o processo não é realmente completamente reversível. É um modelo idealizado de como tal situação ocorreria, embora com um controle cuidadoso das condições experimentais, um processo possa ser realizado, o que é extremamente próximo de ser totalmente reversível.

A maioria dos processos, é claro, são processos irreversíveis (ou processos sem equilíbrio). Usar o atrito de seus freios funciona no seu carro é um processo irreversível. Deixar o ar sair de um balão para dentro da sala é um processo irreversível. Colocar um bloco de gelo em uma passagem de cimento quente é um processo irreversível.

No geral, esses processos irreversíveis são uma conseqüência da segunda lei da termodinâmica, que é frequentemente definida em termos de entropia, ou desordem, de um sistema.

Existem várias maneiras de expressar a segunda lei da termodinâmica, mas basicamente limita a eficiência de qualquer transferência de calor. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, algum calor será sempre perdido no processo, razão pela qual não é possível ter um processo completamente reversível no mundo real.

Chamamos qualquer dispositivo que transforma parcialmente o calor em energia mecânica ou de trabalho motor térmico. Um mecanismo térmico faz isso transferindo calor de um lugar para outro, realizando algum trabalho ao longo do caminho.

Utilizando termodinâmica, é possível analisar a eficiência térmica de um motor térmico, e esse é um tópico abordado na maioria dos cursos introdutórios de física. Aqui estão alguns motores térmicos que são frequentemente analisados ​​em cursos de física:

• Mecanismo de Combinação Interna - Um motor movido a combustível, como os usados ​​em automóveis. O "ciclo Otto" define o processo termodinâmico de um motor a gasolina comum. O "ciclo Diesel" refere-se a motores a diesel.
• Geladeira - Um motor térmico ao contrário, o refrigerador retira o calor de um local frio (dentro da geladeira) e o transfere para um local quente (fora da geladeira).
• Bomba de calor - Uma bomba de calor é um tipo de mecanismo de aquecimento, semelhante a um refrigerador, usado para aquecer edifícios esfriando o ar externo.

Em 1924, o engenheiro francês Sadi Carnot criou um mecanismo hipotético idealizado, com a máxima eficiência possível, consistente com a segunda lei da termodinâmica. Ele chegou à seguinte equação por sua eficiência, e_Carnot:

e_Carnot = ( T_H - T_C) / T_H

T_H e T_C são as temperaturas dos reservatórios quente e frio, respectivamente. Com uma diferença de temperatura muito grande, você obtém uma alta eficiência. Uma baixa eficiência ocorre se a diferença de temperatura for baixa. Você só obtém uma eficiência de 1 (100% de eficiência) se T_C = 0 (ou seja, valor absoluto) o que é impossível.