O que é um processo isotérmico em física?

A ciência da física estuda objetos e sistemas para medir seus movimentos, temperaturas e outras características físicas. Pode ser aplicado a qualquer coisa, desde organismos unicelulares a sistemas mecânicos, planetas, estrelas e galáxias e aos processos que os governam. Dentro da física, termodinâmica é um ramo que se concentra em mudanças de energia (calor) nas propriedades de um sistema durante qualquer reação física ou química.

O "processo isotérmico", que é um processo termodinâmico no qual a temperatura de um sistema permanece constante. o transferência de calor dentro ou fora do sistema acontece tão lentamente que Equilíbrio térmico é mantido. "Térmico" é um termo que descreve o calor de um sistema. "Iso" significa "igual", então "isotérmico" significa "calor igual", que é o que define o equilíbrio térmico.

Em geral, durante um processo isotérmico, há uma mudança nos energia, energia termicae trabalhos, mesmo que a temperatura permaneça a mesma. Algo no sistema trabalha para manter a mesma temperatura. Um exemplo ideal simples é o Ciclo de Carnot, que basicamente descreve como um motor térmico funciona fornecendo calor a um gás. Como resultado, o gás se expande em um cilindro, e isso empurra um pistão para fazer algum trabalho. O calor ou o gás deve ser empurrado para fora do cilindro (ou despejado) para que o próximo ciclo de aquecimento / expansão possa ocorrer. É o que acontece dentro de um motor de carro, por exemplo. Se esse ciclo for completamente eficiente, o processo é isotérmico, porque a temperatura é mantida constante enquanto a pressão muda.

Para entender o básico do processo isotérmico, considere a ação dos gases em um sistema. A energia interna de um gás ideal depende exclusivamente da temperatura; portanto, a mudança na energia interna durante um processo isotérmico para uma gás ideal também é 0. Nesse sistema, todo o calor adicionado a um sistema (de gás) realiza trabalhos para manter o processo isotérmico, desde que a pressão permaneça constante. Essencialmente, ao considerar um gás ideal, o trabalho realizado no sistema para manter a temperatura significa que o volume do gás deve diminuir à medida que a pressão no sistema aumenta.

Os processos isotérmicos são muitos e variados. A evaporação da água no ar é uma, assim como a ebulição da água em um ponto de ebulição específico. Também existem muitas reações químicas que mantêm o equilíbrio térmico e, na biologia, as interações de uma célula com suas células circundantes (ou outra matéria) são consideradas um processo isotérmico.

Evaporação, fusão e ebulição também são "mudanças de fase". Ou seja, são mudanças na água (ou outros fluidos ou gases) que ocorrem a temperatura e pressão constantes.

Na física, o mapeamento dessas reações e processos é feito usando diagramas (gráficos). Em um diagrama de fases, um processo isotérmico é mapeado seguindo uma linha vertical (ou plano, em um 3D diagrama de fases) a uma temperatura constante. A pressão e o volume podem mudar para manter a temperatura do sistema.

À medida que mudam, é possível que uma substância altere sua Estado da matéria mesmo enquanto a temperatura permanece constante. Assim, a evaporação da água à medida que ferve significa que a temperatura permanece a mesma que o sistema altera a pressão e o volume. Este é então mapeado com o temperamento permanecendo constante ao longo do diagrama.

Quando os cientistas estudam processos isotérmicos em sistemas, eles estão realmente examinando calor e energia e as conexão entre eles e a energia mecânica necessária para alterar ou manter a temperatura de um sistema. Essa compreensão ajuda os biólogos a estudarem como os seres vivos regulam suas temperaturas. Também entra em jogo nas áreas de engenharia, ciência espacial, ciência planetária, geologia e muitos outros ramos da ciência. Ciclos termodinâmicos de energia (e, portanto, processos isotérmicos) são a idéia básica por trás dos motores térmicos. Os seres humanos usam esses dispositivos para alimentar usinas elétricas e, como mencionado acima, carros, caminhões, aviões e outros veículos. Além disso, esses sistemas existem em foguetes e naves espaciais. Os engenheiros aplicam princípios de gerenciamento térmico (em outras palavras, gerenciamento de temperatura) para aumentar a eficiência desses sistemas e processos.

Editado e atualizado por Carolyn Collins Petersen.