A termodinâmica é um importante ramo da física que estuda e descreve sistemas termodinâmicos em equilíbrio ou tendendo a ele. Para poder descrever a transição de algum estado inicial para um estado final usando as equações da termodinâmica, é necessário fazer uma aproximação de um processo quase estático. Qual é essa aproximação e quais são os tipos desses processos, vamos considerar neste artigo.
O que significa um processo quase estático?
Como você sabe, a termodinâmica para descrever o estado do sistema usa um conjunto de características macroscópicas que podem ser medidas experimentalmente. Estes incluem pressão P, volume V e temperatura absoluta T. Se todas as três quantidades são conhecidas para o sistema em estudo em um determinado momento, então eles dizem que seu estado foi determinado.
O conceito de um processo quase-estático implica uma transição entre dois estados. Durante essa transição,Naturalmente, as características termodinâmicas do sistema mudam. Se em cada momento de tempo durante o qual a transição continua, T, P e V são conhecidos para o sistema, e ele não está longe de seu estado de equilíbrio, então dizemos que ocorre um processo quase-estático. Em outras palavras, esse processo é uma transição sequencial entre um conjunto de estados de equilíbrio. Ele assume que a influência externa sobre o sistema é insignificante, de modo que ele tem tempo para chegar rapidamente ao equilíbrio.
Processos reais não são quase estáticos, portanto o conceito em consideração será idealizado. Por exemplo, ao expandir ou comprimir um gás, ocorrem mudanças turbulentas e processos ondulatórios nele, que requerem algum tempo para sua atenuação. No entanto, em vários casos práticos, para gases em que as partículas se movem em alta velocidade, o equilíbrio se estabelece rapidamente, de modo que várias transições entre os estados neles podem ser consideradas quase estáticas com alta precisão.
Equação de estado e tipos de processos em gases
Gás é um estado agregado da matéria conveniente para seu estudo em termodinâmica. Isso se deve ao fato de que para sua descrição existe uma equação simples que relaciona todas as três grandezas termodinâmicas acima. Essa equação é chamada de lei de Clapeyron-Mendeleev. Fica assim:
PV=nRT
Usando esta equação, todos os tipos de isoprocessos e transição adiabática esão construídos gráficos da isóbara, isotérmica, isócora e adiabat. Em igualdade, n é a quantidade de substância no sistema, R é uma constante para todos os gases. Abaixo, consideramos todos os tipos observados de processos quase estáticos.
Transição isotérmica
Foi estudado pela primeira vez no final do século XVII usando vários gases como exemplo. Os experimentos correspondentes foram realizados por Robert Boyle e Edm Mariotte. Os cientistas chegaram ao seguinte resultado:
PV=const quando T=const
Se você aumentar a pressão no sistema, seu volume diminuirá proporcionalmente a esse aumento, se o sistema mantiver uma temperatura constante. É fácil deduzir esta lei a partir da equação de estado.
A isotérmica no gráfico é uma hipérbole que se aproxima dos eixos P e V.
Transições isobáricas e isocóricas
As transições isobáricas (a pressão constante) e isocóricas (a volume constante) em gases foram estudadas no início do século XIX. Grande mérito em seu estudo e descoberta das leis pertinentes pertence aos franceses Jacques Charles e Gay-Lussac. Ambos os processos são representados matematicamente da seguinte forma:
V/T=const quando P=const;
P/T=const quando V=const
Ambas as expressões seguem da equação de estado se definirmos o parâmetro correspondente constante.
Combinamos essas transições em um parágrafo do artigo porque elas têm a mesma representação gráfica. Ao contrário da isotérmica, a isóbara e a isócora são linhas retas quemostre a proporcionalidade direta entre volume e temperatura e pressão e temperatura, respectivamente.
Processo adiabático
Difere dos isoprocessos descritos por proceder em completo isolamento térmico do meio ambiente. Como resultado da transição adiabática, o gás se expande ou se contrai sem troca de calor com o ambiente. Neste caso, ocorre uma mudança correspondente em sua energia interna, ou seja:
dU=- PdV
Para descrever um processo adiabático quase-estático, é importante conhecer duas quantidades: CP isobárica e CVcapacidade térmica isocórica. O valor CP informa quanto calor deve ser transmitido ao sistema para que ele aumente sua temperatura em 1 K durante a expansão isobárica. O valor CV significa o mesmo, apenas para aquecimento de volume constante.
A equação para este processo para um gás ideal é chamada de equação de Poisson. Está escrito nos parâmetros P e V da seguinte forma:
PVγ=const
Aqui o parâmetro γ é chamado de expoente adiabático. É igual à razão de CP e CV. Para um gás monoatômico γ=1,67, para um gás diatômico - 1,4, se o gás é formado por moléculas mais complexas, então γ=1,33.
Como o processo adiabático ocorre exclusivamente devido aos seus próprios recursos energéticos internos, o gráfico adiabático nos eixos P-V se comporta de forma mais acentuada do que o gráfico isotérmico(hipérbole).
