O estado gasoso da matéria ao nosso redor é uma das três formas comuns da matéria. Na física, esse estado de agregação do fluido é geralmente considerado na aproximação de um gás ideal. Usando esta aproximação, descrevemos no artigo possíveis isoprocessos em gases.
Gás ideal e a equação universal para descrevê-lo
Um gás ideal é aquele cujas partículas não têm dimensões e não interagem entre si. Obviamente, não há um único gás que satisfaça exatamente essas condições, pois mesmo o menor átomo - o hidrogênio, tem um determinado tamanho. Além disso, mesmo entre átomos neutros de gases nobres, há uma fraca interação de van der Waals. Então surge a pergunta: em que casos o tamanho das partículas de gás e a interação entre elas podem ser desprezados? A resposta a esta pergunta será a observância das seguintes condições físico-químicas:
- baixa pressão (cerca de 1 atmosfera e abaixo);
- altas temperaturas (em torno da temperatura ambiente e acima);
- inércia química de moléculas e átomosgás.
Se pelo menos uma das condições não for atendida, então o gás deve ser considerado real e descrito por uma equação especial de van der Waals.
A equação de Mendeleev-Clapeyron deve ser considerada antes de estudar isoprocessos. A equação do gás ideal é o seu segundo nome. Tem a seguinte notação:
PV=nRT
Ou seja, relaciona três parâmetros termodinâmicos: pressão P, temperatura T e volume V, bem como a quantidade n da substância. O símbolo R aqui denota a constante do gás, é igual a 8,314 J / (Kmol).
O que são isoprocessos em gases?
Estes processos são entendidos como transições entre dois estados diferentes do gás (inicial e final), pelo que algumas quantidades são preservadas e outras alteradas. Existem três tipos de isoprocessos em gases:
- isotérmica;
- isobárica;
- isocórica.
É importante notar que todos eles foram estudados e descritos experimentalmente no período da segunda metade do século XVII aos anos 30 do século XIX. Com base nesses resultados experimentais, Émile Clapeyron em 1834 derivou uma equação que é universal para gases. Este artigo é construído ao contrário - aplicando a equação de estado, obtemos fórmulas para isoprocessos em gases ideais.
Transição a temperatura constante
É chamado de processo isotérmico. Da equação de estado de um gás ideal, segue-se que a uma temperatura absoluta constante em um sistema fechado, o produto deve permanecer constantevolume para pressão, ou seja:
PV=const
Esta relação foi de fato observada por Robert Boyle e Edm Mariotte na segunda metade do século XVII, então a igualdade atualmente registrada leva seus nomes.
Dependências funcionais P(V) ou V(P), expressas graficamente, parecem hipérboles. Quanto maior a temperatura na qual o experimento isotérmico é realizado, maior o produto PV.
Em um processo isotérmico, um gás se expande ou se contrai, realizando trabalho sem alterar sua energia interna.
Transição a pressão constante
Agora vamos estudar o processo isobárico, durante o qual a pressão é mantida constante. Um exemplo de tal transição é o aquecimento do gás sob o pistão. Como resultado do aquecimento, a energia cinética das partículas aumenta, elas começam a atingir o pistão com mais frequência e com maior força, fazendo com que o gás se expanda. No processo de expansão, o gás realiza algum trabalho, cuja eficiência é de 40% (para um gás monoatômico).
Para este isoprocesso, a equação de estado para um gás ideal diz que a seguinte relação deve valer:
V/T=const
É fácil obter se a pressão constante for transferida para o lado direito da equação de Clapeyron e a temperatura - para a esquerda. Essa igualdade é chamada de lei de Charles.
Igualdade indica que as funções V(T) e T(V) se parecem com linhas retas nos gráficos. A inclinação da linha V(T) em relação à abcissa será tanto menor quanto maior for a pressãoP.
Transição a volume constante
O último isoprocesso em gases, que consideraremos no artigo, é a transição isocórica. Usando a equação universal de Clapeyron, é fácil obter a seguinte igualdade para esta transição:
P/T=const
A transição isocórica é descrita pela lei de Gay-Lussac. Pode-se ver que graficamente as funções P(T) e T(P) serão retas. Entre todos os três processos isocóricos, o isocórico é o mais eficiente se for necessário aumentar a temperatura do sistema devido ao fornecimento de calor externo. Durante este processo, o gás não realiza trabalho, ou seja, todo o calor será direcionado para aumentar a energia interna do sistema.
