O principal assunto do estudo da termodinâmica de sistemas gasosos é a mudança nos estados termodinâmicos. Como resultado de tais mudanças, o gás pode realizar trabalho e armazenar energia interna. Vamos estudar no artigo abaixo diferentes transições termodinâmicas em um gás ideal. Atenção especial será dada ao estudo do gráfico do processo isotérmico.
Gases Ideais
A julgar pelo próprio nome, podemos dizer que 100% de gases ideais não existem na natureza. No entanto, muitas substâncias reais satisfazem esse conceito com precisão prática.
Um gás ideal é qualquer gás no qual as interações entre suas partículas e seus tamanhos podem ser desprezadas. Ambas as condições são satisfeitas apenas se a energia cinética das moléculas for muito maior que a energia potencial das ligações entre elas, e as distâncias entre as moléculas forem muito maiores que o tamanho das partículas.
Para determinar qual éSe o gás em estudo for ideal, você pode usar uma regra simples: se a temperatura no sistema estiver acima da temperatura ambiente, a pressão não será muito diferente da pressão atmosférica ou menor que ela, e as moléculas que compõem o sistema são quimicamente inertes, então o gás será ideal.
Lei Principal
Estamos falando da equação do gás ideal, que também é chamada de lei de Clapeyron-Mendeleev. Esta equação foi escrita na década de 30 do século XIX pelo engenheiro e físico francês Emile Clapeyron. Algumas décadas depois, o químico russo Mendeleev trouxe-o à sua forma moderna. Esta equação fica assim:
PV=nRT.
Do lado esquerdo da equação está o produto da pressão P e do volume V, do lado direito da equação está o produto da temperatura T pela quantidade de substância n. R é a constante universal do gás. Observe que T é a temperatura absoluta, que é medida em Kelvins.
A lei de Clapeyron-Mendeleev foi obtida primeiramente a partir dos resultados das leis dos gases anteriores, ou seja, baseou-se apenas na base experimental. Com o desenvolvimento da física moderna e da teoria cinética dos fluidos, a equação do gás ideal pode ser derivada considerando o comportamento microscópico das partículas do sistema.
Processo isotérmico
Independentemente de este processo ocorrer em gases, líquidos ou sólidos, ele tem uma definição muito clara. Uma transição isotérmica é uma transição entre dois estados em que a temperatura do sistemapreservada, ou seja, permanece in alterada. Portanto, o gráfico do processo isotérmico nos eixos do tempo (eixo x) - temperatura (eixo y) será uma linha horizontal.
Em relação a um gás ideal, notamos que a transição isotérmica para ele é chamada de lei de Boyle-Mariotte. Esta lei foi descoberta experimentalmente. Além disso, tornou-se o primeiro nesta área (segunda metade do século XVII). Pode ser obtido por qualquer estudante se considerar o comportamento do gás em um sistema fechado (n=const) a uma temperatura constante (T=const). Usando a equação de estado, temos:
nRT=const=>
PV=const.
A última igualdade é a lei de Boyle-Mariotte. Nos livros de física, você também pode encontrar esta forma de escrever:
P1 V1=P2 V 2.
Durante a transição do estado isotérmico 1 para o estado termodinâmico 2, o produto do volume e da pressão permanece constante para um sistema de gás fechado.
A lei estudada fala da proporcionalidade inversa entre os valores de P e V:
P=const / V.
Isso significa que o gráfico do processo isotérmico em um gás ideal será uma curva de hipérbole. Três hipérboles são mostradas na figura abaixo.
Cada uma delas é chamada de isotérmica. Quanto maior a temperatura no sistema, mais distante dos eixos de coordenadas estará a isotérmica. Da figura acima, podemos concluir que o verde corresponde à temperatura mais alta do sistema e o azul à mais baixa, desde que a quantidade de substância nos trêssistemas é o mesmo. Se todas as isotermas da figura forem construídas para a mesma temperatura, isso significa que a curva verde corresponde ao maior sistema em termos de quantidade de substância.
Mudança na energia interna durante um processo isotérmico
Na física dos gases ideais, a energia interna é entendida como energia cinética associada ao movimento de rotação e translação das moléculas. A partir da teoria cinética é fácil obter a seguinte fórmula para a energia interna U:
U=z/2nRT.
Onde z é o número de graus de movimento livre das moléculas. Varia de 3 (gás monoatômico) a 6 (moléculas poliatômicas).
No caso de um processo isotérmico, a temperatura permanece constante, o que significa que a única razão para a variação da energia interna é a saída ou chegada de partículas de matéria ao sistema. Assim, em sistemas fechados, durante uma mudança isotérmica em seu estado, a energia interna é conservada.
Processos isobáricos e isocóricos
Além da lei de Boyle-Mariotte, existem mais duas leis básicas dos gases que também foram descobertas experimentalmente. Eles levam os nomes dos franceses Charles e Gay-Lussac. Matematicamente, eles são escritos assim:
V / T=const quando P=const;
P / T=const quando V=const.
A lei de Charles diz que durante um processo isobárico (P=const) o volume depende linearmente da temperatura absoluta. A lei de Gay-Lussac indica uma relação linear entre pressão e temperatura absoluta em isocóricatransição (V=const).
Das igualdades dadas segue que os gráficos das transições isobáricas e isocóricas diferem significativamente do processo isotérmico. Se a isotérmica tem a forma de uma hipérbole, então a isóbara e a isócora são linhas retas.
Processo isobárico-isotérmico
Ao considerar as leis dos gases, às vezes se esquece que, além dos valores de T, P e V, o valor de n na lei de Clapeyron-Mendeleev também pode mudar. Se fixarmos a pressão e a temperatura, obtemos a equação da transição isobárica-isotérmica:
n / V=const quando T=const, P=const.
A relação linear entre a quantidade de substância e o volume sugere que, sob as mesmas condições, gases diferentes contendo a mesma quantidade de substância ocupam volumes iguais. Por exemplo, em condições normais (0 oC, 1 atmosfera), o volume molar de qualquer gás é 22,4 litros. A lei considerada é chamada de princípio de Avogadro. Ela está subjacente à lei de D alton das misturas de gases ideais.
