Aula 5 Processos termodinmicos (transformaes termodinmicas)

Existem alguns casos especficos de processos termodinmicos que ocorrem em vrias situaes prticas. A identificao do processo envolvido o primeiro passo na resoluo de problemas que envolvem a primeira lei da termodinmica. Processo adiabtico

Neste processo no existe troca de calor com o meio externo, ou seja, Q = 0. Isso usualmente conseguido isolando-se termicamente o sistema num recipiente de paredes adiabticas. Ento a Eq. 26 fica simplesmente:

i fU W

A variao da energia interna est relacionada apenas com a realizao de trabalho (neste caso, chamado de trabalho adiabtico). No caso de um gs confinado num recipiente com paredes adiabticas e um pisto mvel, quando realizado trabalho sobre o sistema, tem-se que dU > 0 e a energia interna aumenta, e quando o sistema realiza trabalho, tem-se que dU < 0 e a energia interna diminui. Geralmente este processo resulta tambm na variao da temperatura. Processos termodinmicos suficientemente rpidos, em que no h tempo para ocorrer uma troca significativa de calor, tambm podem ser considerados adiabticos. Por exemplo: a expanso de vapor numa mquina trmica, o aquecimento do ar quando bombeamos um pneu de bicicleta, etc... Processo isocrico

Neste processo o volume no varia. Em geral isso significa que o sistema no realizou trabalho com a sua vizinhana, ou seja,

0i fW

Logo pela primeira lei: U Q

Temos ento que a variao da energia interna depende apenas da transferncia de calor, sendo que U aumenta (dU > 0 ) quando fornecido calor ao sistema e U diminui (dU < 0 ) quando retirado calor do sistema. Um exemplo disso o aquecimento de gua em um recipiente cujo volume mantido fixo. importante notar que a realizao de trabalho no est vinculada apenas variao de volume. possvel realizar trabalho num sistema por agitao, como foi demonstrado no experimento de Joule. Neste exemplo, apesar de se tratar de um processo isocrico.

0i fW

Outra situao interessante de anlise a expanso livre de um gs. A expanso livre de um gs um experimento onde um recipiente contendo gs est ligado por uma vlvula com outro recipiente mantido a vcuo. Quando a vlvula aberta, o gs se

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expande livremente para o recipiente com vcuo, como o ar no empurra nenhuma parede no seu movimento o trabalho realizado pelo gs nulo, apesar de variar o volume. Este no um processo isocrico, pois o volume do gs aumenta; entretanto, o gs no realiza trabalho porque no empurra uma parede. Processo isobrico

A presso mantida constante neste processo. Neste caso, em geral nenhuma das grandezas dU, Q e Wi->f nula. Entretanto, o clculo do trabalho simples, pois a presso resultando na relao:

( )i f f iW p V V O trabalho realizado durante o processo proporcional variao do volume do

gs. Usando a equao geral dos gases, resulta na outra expresso equivalente

( )i f f iW R T T Isso ocorre, por exemplo, no processo de ebulio da gua numa panela aberta, onde

a presso atmosfrica constante (p = 1,0atm ). Neste exemplo, a variao da energia interna dada por:

( ) ( )V atm vapor guaU mL p V V onde, m a massa de gua e LV o calor latente de vaporizao da gua. Esta variao de energia interna interpretada como a energia necessria para romper as foras de atrao das molculas no estado lquido na transio para o estado gasoso. Processo isotrmico

Neste processo a temperatura que permanece constante. Para isso, necessrio que a transferncia de energia ocorra muito lentamente, permitindo que o sistema permanea em equilbrio trmico. Num processo isotrmico, em geral dU, Q e Wi->f no so nulos.

Um caso especial ocorre para um gs ideal no qual a energia interna depende apenas da temperatura, sem ser influenciada pelo volume e a presso. Portanto, dU = 0 num processo isotrmico em um gs ideal, logo

i fQ W

ou seja, qualquer energia que entra no sistema em forma de calor, sai novamente em virtude do trabalho realizado por ele. Aplicando a equao geral dos gases, obtm-se as expresses abaixo,

ln lnf ii fi f

V pW RT RTV p

4.6.5 Processo cclico Num processo cclico o sistema volta sempre para o seu estado inicial. Geralmente

pode ser analisado como uma seqncia dos processos idealizados descritos acima. Como a variao da energia interna depende apenas dos estados inicial e final, ento dU = 0 num ciclo completo, logo:

i fQ W

ou seja, a transferncia de calor igual ao trabalho realizado. Este resultado se aplica no estudo de mquinas trmicas que operam em ciclos repetidos. Anotaes de aula

Os processos iscoricos, isobricos, isotrmicos e adiabticos podem ser representados genericamente atravs da expresso

npV constante

Quando n = 0 p = constante processo isobrico n = 1 pV = constante processo isotrmico n = pV = constante processo adiabtico n = V = constante processo isocrico