Compreender o que são diferentes processos termodinâmicos e como você usa a primeira lei da termodinâmica em cada um deles é crucial quando você começa a considerar os motores térmicos e os ciclos de Carnot.

Muitos dos os processos são idealizados; portanto, embora não reflitam com precisão como as coisas ocorrem no mundo real, são aproximações úteis que simplificam os cálculos e facilitam a conclusão de conclusões. Esses processos idealizados descrevem como os estados de um gás ideal podem sofrer alterações.

O processo isotérmico é apenas um exemplo, e o fato de ocorrer a uma única temperatura por definição simplifica drasticamente o trabalho com a primeira lei da termodinâmica. ao calcular coisas como processos de motores térmicos.
O que é um processo isotérmico?

Um processo isotérmico é um processo termodinâmico que ocorre a uma temperatura constante. O benefício de trabalhar a uma temperatura constante e com um gás ideal é que você pode usar a lei de Boyle e a lei do gás ideal para relacionar pressão e volume. Ambas as expressões (como a lei de Boyle é uma das várias leis que foram incorporadas na lei dos gases ideais) mostram uma relação inversa entre pressão e volume. A lei de Boyle implica que:
P_1V_1 \u003d P_2V_2

Onde os subscritos denotam a pressão ( P
) e o volume ( V
) no tempo 1 e a pressão e o volume no tempo 2. A equação mostra que, se o volume dobrar, por exemplo, a pressão deverá ser reduzida pela metade para manter a equação equilibrada e vice-versa. A lei ideal do gás ideal é PV
\u003d nRT
, onde n
é o número de mols do gás, R
é o gás universal constante e T
é a temperatura. Com uma quantidade fixa de gás e uma temperatura fixa, PV
deve assumir um valor constante, o que leva ao resultado anterior.

Em um diagrama de pressão-volume (PV), que é um gráfico de pressão x volume freqüentemente usado para processos termodinâmicos, um processo isotérmico se parece com o gráfico de y
\u003d 1 / x
, curvando-se para baixo em direção ao seu valor mínimo.

Um ponto que freqüentemente confunde as pessoas é a distinção entre isotérmico
vs. adiabático, mas dividir a palavra em duas partes pode ajudá-lo a lembrar disso. "Iso" significa igual e "térmico" refere-se ao calor de algo (ou seja, sua temperatura); portanto, "isotérmico" significa literalmente "a uma temperatura igual". Os processos adiabáticos não envolvem transferência de calor , mas o a temperatura do sistema geralmente muda durante eles.
Processos isotérmicos e a primeira lei da termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica afirma que a mudança na energia interna ( UU) sistema é igual ao calor adicionado ao sistema ( Q
) menos o trabalho realizado pelo sistema ( W W), ou em símbolos:
\u003dU \u003d Q - W

Quando você está lidando com um processo isotérmico, pode usar o fato de que a energia interna é diretamente proporcional à temperatura juntamente com esta lei para tirar uma conclusão útil. A energia interna de um gás ideal é:
U \u003d \\ frac {3} {2} nRT

Isso significa que, para uma temperatura constante, você tem uma energia interna constante. Portanto, com
U
\u003d 0, a primeira lei da termodinâmica pode ser facilmente reorganizada para:
Q \u003d W

Ou, em palavras, o calor adicionado ao sistema é igual ao trabalho realizado pelo sistema, o que significa que o calor adicionado é usado para fazer o trabalho. Por exemplo, na expansão isotérmica, o calor é adicionado ao sistema, o que faz com que ele se expanda, trabalhando no ambiente sem perder energia interna. Em uma compressão isotérmica, o ambiente trabalha no sistema e faz com que o sistema perca essa energia como calor.
Processos isotérmicos em motores de calor

Os motores de calor usam um ciclo completo de processos termodinâmicos para converter calor energia em energia mecânica, geralmente movendo um pistão à medida que o gás no motor térmico se expande. Os processos isotérmicos são uma parte essencial deste ciclo, com a energia térmica adicionada sendo completamente convertida em trabalho sem nenhuma perda.

No entanto, este é um processo altamente idealizado, porque na prática sempre haverá alguma energia perdida quando a energia térmica é convertida em trabalho. Para que ele funcione na realidade, seria necessário um tempo infinito para que o sistema permanecesse em equilíbrio térmico com o ambiente circundante o tempo todo.

Os processos isotérmicos são considerados processos reversíveis, porque se você ' Ao concluir um processo (por exemplo, uma expansão isotérmica), você pode executar o mesmo processo ao contrário (uma compressão isotérmica) e retornar o sistema ao seu estado original. Em essência, você pode executar o mesmo processo para frente ou para trás no tempo sem violar nenhuma lei da física.

No entanto, se você tentar isso na vida real, a segunda lei da termodinâmica significaria que houve um aumento na entropia durante o processo “forward”, para que o “backwards” não retorne completamente o sistema ao seu estado original.

Se você plotar um processo isotérmico em um diagrama fotovoltaico, o trabalho realizado durante o processo é igual para a área sob a curva. Embora você possa calcular o trabalho realizado isotérmica dessa maneira, geralmente é mais fácil usar a primeira lei da termodinâmica e o fato de que o trabalho realizado é igual ao calor adicionado ao sistema.
Outras expressões para trabalho realizado em isotérmico Processos

Se você estiver fazendo cálculos para um processo isotérmico, existem algumas outras equações que você pode usar para encontrar o trabalho realizado. A primeira delas é:
W \u003d nRT \\ ln \\ bigg (\\ frac {V_f} {V_i} \\ bigg)

Onde V
_{f é o volume final e V
i é o volume inicial. Usando a lei do gás ideal, você pode substituir a pressão e o volume inicial ( P
ie Vem i) pelo nRT
neste equação a obter:
W \u003d P_iV_i \\ ln \\ bigg (\\ frac {V_f} {V_i} \\ bigg)}

Na maioria dos casos, pode ser mais fácil trabalhar com o calor adicionado, mas se você tiver apenas informações sobre a pressão, volume ou temperatura, uma dessas equações poderia simplificar o problema. Como o trabalho é uma forma de energia, sua unidade é o joule (J).
Outros processos termodinâmicos

Existem muitos outros processos termodinâmicos, e muitos deles podem ser classificados de maneira semelhante aos processos isotérmicos , exceto que outras quantidades além da temperatura são constantes. Um processo isobárico é aquele que ocorre a uma pressão constante e, por esse motivo, a força exercida nas paredes do recipiente é constante e o trabalho realizado é dado por W
\u003d PemV
.

Para gás em expansão isobárica, é necessário haver transferência de calor para manter a pressão constante, e esse calor altera a energia interna do sistema e também faz o trabalho.

Um processo isocórico ocorre em um volume constante. Isso permite que você faça uma simplificação na primeira lei da termodinâmica, porque se o volume for constante, o sistema não funcionará no ambiente. Como resultado, a mudança na energia interna do sistema é inteiramente devida ao calor transferido.

Um processo adiabático é aquele que ocorre sem a troca de calor entre o sistema e o ambiente. No entanto, isso não significa que não há mudança de temperatura no sistema, porque o processo pode levar a um aumento ou diminuição da temperatura sem transferência direta de calor. No entanto, sem transferência de calor, a primeira lei mostra que qualquer alteração na energia interna deve ser devida ao trabalho realizado no sistema ou pelo sistema, pois define Q
\u003d 0 na equação.