Fala, guerreiros! Vamos continuar nossos estudos de Termodinâmica, com as suas transformações, assunto muito importante e que precisamos dominar para a prova. Vamos, selva!
1. TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA
Considere um gás que recebe 100 J de energia de uma fonte quente. O gás gasta toda essa energia para empurrar um êmbolo (expande).
Não sobra nenhuma energia para que o gás armazene sobre forma de energia interna (ΔU = 0). Portanto, se não há variação da energia interna, a temperatura do gás não muda.
Aplicando esse resultado na primeira lei da Termodinâmica (Q = W + ΔU):
O resultado acima possui duas interpretações:
- O gás recebe energia térmica de uma fonte exterior (Q > 0) e o trabalho também é positivo (W > 0), ou seja, o gás utiliza toda a energia térmica recebida para empurrar o êmbolo para fora (expandir).
- O gás é comprimido pelo meio exterior (W < 0) e o seu volume diminui, a quantidade de calor também é negativa (Q < 0). O gás cedeu energia para o exterior após receber a mesma energia na forma de trabalho.
2. TRANSFORMAÇÃO ISOMÉTRICA
Um gás pode estar confinado em um recipiente de paredes indeformáveis ou o volume final ser igual ao volume inicial. Neste caso, o gás não gasta energia para expandir nem recebe energia na forma de trabalho do exterior (comprimir).
Aplicando esse resultado na primeira lei da Termodinâmica (Q = W + ΔU):
O resultado acima possui duas interpretações:
- O gás recebe energia térmica do exterior (Q > 0) e a variação da energia interna é positiva (ΔU > 0), ou seja, o gás utiliza toda a energia recebida para aumentar sua temperatura.
- O gás cede energia térmica para o exterior (Q < 0) e a variação da energia interna é negativa (ΔU < 0), ou seja, a energia cedida pelo gás para o exterior diminui a sua energia interna e a temperatura.
3. TRANSFORMAÇÃO ADIABÁTICA
Uma transformação adiabática ocorre quando não há troca de calor entre o gás e o exterior, ou seja, Q = 0.
Aplicando esse resultado na primeira lei da Termodinâmica (Q = W + ΔU):
ou
Repare que os sinais das duas grandezas são contrários.
O resultado acima possui duas interpretações:
- No primeiro caso, o gás expande (W > 0) às custas da diminuição da sua própria energia interna (ΔU < 0). O gás não recebe energia externa na forma de calor (Q = 0), portanto, ele precisa gastar da sua própria energia interna para empurrar o êmbolo para fora e expandir.
- No segundo caso, o gás é comprimido (W < 0) e recebe energia do exterior na forma de trabalho. Essa energia é armazenada na forma de energia interna (ΔU > 0 – a temperatura do gás aumenta).
4. TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA
Nas três transformações anteriores, pelo menos uma das três grandezas da primeira lei da Termodinâmica se anula: ΔU na isotérmica; W na isovolumétrica e Q na adiabática.
Na transformação isobárica, nenhuma das grandezas presentes na primeira lei da Termodinâmica se anula, ou seja, o gás pode receber (Q > 0) ou ceder calor (Q < 0) para o exterior, expandir (W > 0) ou contrair (W < 0) e aumentar (ΔU > 0) ou diminuir a sua temperatura (ΔU < 0).
4.1 Equação de Poisson
A expressão abaixo, conhecida como equação de Poisson, é válida apenas nos processos adiabáticos.
γ (expoente de Poisson) é a razão entre os calores específicos a pressão e volume constante.
O expoente de Poisson assume os valores aproximados para cada tipo de gás.
- gás monoatômico – 1,7
- gás diatômico – 1,4
- gás poliatômico – 1,3
Na transformação adiabática, o gráfico é uma curva semelhante ao que ocorre na transformação isotérmica.
Observe o gráfico p x V abaixo. Todos os pontos localizados na isoterma 1 possuem o mesmo valor de temperatura. O mesmo ocorre na isoterma 2, porém a temperatura nesta isoterma é maior do que na primeira. A curva em vermelho representa a transformação adiabática, onde o volume, a pressão e a temperatura mudam.
5. TRANSFORMAÇÕES ABERTAS E FECHADAS (CÍCLICAS)
5.1 Transformação aberta
Observe a transformação gasosa abaixo, onde o gás passa do estado inicial (A) para o estado final (B).
No estado A, a pressão vale 9.105 N/m2 e o volume é de 8 m3. O gás sofre uma transformação e no estado B, a pressão diminui para 3.105 N/m2 e o volume aumenta para 20 m3. O gás não retorna ao estado inicial A, portanto essa transformação é considerada aberta.
Em uma transformação aberta, o gás muda de um estado para outro, porém não retorna as condições iniciais.
5.2 Transformação fechada ou cíclica
Observe a transformação gasosa abaixo.
O gás encontra-se no estado A a uma pressão de 12.105 N/m2 e ocupa um volume de 6.10-2 m3. O gás sofre três transformações (AB – isobárica; BC – isométrica; CD – isobárica e DA – isométrica) e retorna ao estado inicial A.
Em uma transformação fechada, o gás parte de um estado inicial, sofre uma série de transformações e retorna as condições iniciais.
O trabalho em uma transformação cíclica é positivo se a transformação acontece no sentido horário e negativo se ocorre no sentido anti-horário.
Em resumo:
- Ciclo percorrido no sentido horário: trabalho realizado pelo gás é positivo.
- Ciclo percorrido no sentido anti-horário: trabalho realizado pelo gás é negativo.