A termodinâmica é um ramo da física que estuda processos pelos quais a energia térmica pode mudar de forma. Frequentemente, os gases ideais são estudados especificamente porque, além de serem muito mais simples de entender, muitos gases podem ser aproximados como ideais.

Um estado termodinâmico específico é definido por variáveis de estado. Isso inclui pressão, volume e temperatura. Ao estudar os processos pelos quais um sistema termodinâmico muda de um estado para outro, você pode obter uma compreensão mais profunda da física subjacente.

Vários processos termodinâmicos idealizados descrevem como os estados de um gás ideal podem sofrer alterações. O processo adiabático é apenas um deles.
Variáveis de estado, funções de estado e funções de processo

O estado de um gás ideal em qualquer ponto do tempo pode ser descrito pelas variáveis de estado pressão, volume e temperatura . Essas três grandezas são suficientes para determinar a condição atual do gás e não são de todo dependentes de como o gás obteve seu estado atual.

Outras grandezas, como energia interna e entropia, são funções dessas variáveis de estado . Novamente, as funções de estado também não dependem de como o sistema entrou em seu estado específico. Eles dependem apenas das variáveis que descrevem o estado em que está atualmente.

As funções de processo, por outro lado, descrevem um processo. Calor e trabalho são funções de processo em um sistema termodinâmico. O calor é trocado apenas durante uma mudança de um estado para outro, assim como o trabalho só pode ser feito quando o sistema muda de estado.
O que é um processo adiabático?

Um processo adiabático é um processo termodinâmico que ocorre sem transferência de calor entre o sistema e seu ambiente. Em outras palavras, o estado muda, o trabalho pode ser feito no sistema ou durante o mesmo, mas nenhuma energia térmica é adicionada ou removida.

Como nenhum processo físico pode acontecer instantaneamente e nenhum sistema pode ser perfeitamente perfeito. isolado, uma condição perfeitamente adiabática nunca pode ser alcançada na realidade. No entanto, ele pode ser aproximado e muito pode ser aprendido estudando-o.

Quanto mais rápido um processo ocorre, mais próximo ele fica do adiabático, porque menos tempo haverá para uma transferência de calor. > Processos adiabáticos e a primeira lei da termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica afirma que a mudança na energia interna de um sistema é igual à diferença de calor adicionado ao sistema e ao trabalho realizado pelo sistema. Na forma de equação, é o seguinte:
\\ Delta E \u003d QW

Onde E
é a energia interna, Q
é o calor adicionado ao sistema e W
é o trabalho realizado pelo sistema.

Como não há troca de calor em um processo adiabático, deve ser o caso:
\\ Delta E \u003d -W

Em outros palavras, se a energia sai do sistema, é o resultado do trabalho do sistema, e se a energia entra no sistema, resulta diretamente do trabalho realizado no sistema.
Expansão e Compressão Adiabática

Quando um sistema se expande adiabaticamente, o volume aumenta enquanto não há troca de calor. Esse aumento de volume constitui um trabalho realizado pelo sistema no ambiente. Portanto, a energia interna deve diminuir. Como a energia interna é diretamente proporcional à temperatura do gás, isso significa que a mudança de temperatura será negativa (a temperatura cai).

A partir da lei ideal dos gases, você pode obter a seguinte expressão para pressão:
P \u003d \\ frac {nRT} {V}

Onde n
é o número de moles, R
é a constante ideal de gás, T
é temperatura e V
é volume.

Para expansão adiabática, a temperatura diminui enquanto o volume aumenta. Isso significa que a pressão também deve diminuir porque, na expressão acima, o numerador diminuiria enquanto o denominador aumentaria.

Na compressão adiabática, acontece o inverso. Como uma redução no volume indica que o ambiente está sendo executado no sistema pelo sistema, isso produziria uma mudança positiva na energia interna correspondente a um aumento de temperatura (temperatura final mais alta).

Se a temperatura aumentar enquanto o volume diminui , então a pressão também aumenta.

Um exemplo que ilustra um processo aproximadamente adiabático frequentemente mostrado em cursos de física é a operação de uma seringa de incêndio. Uma seringa de incêndio consiste em um tubo isolado que é fechado em uma extremidade e que contém um êmbolo na outra extremidade. O êmbolo pode ser empurrado para baixo para comprimir o ar no tubo.

Se um pequeno pedaço de algodão ou outro material inflamável for colocado no tubo à temperatura ambiente, e então o êmbolo é empurrado para baixo muito rapidamente, o O estado do gás no tubo mudará com a troca mínima de calor com o exterior. O aumento da pressão no tubo que ocorre após a compressão faz com que a temperatura dentro do tubo aumente drasticamente, o suficiente para que o pequeno pedaço de algodão se queime.
Diagramas PV

A volume-pressão
O diagrama (PV) é um gráfico que mostra a mudança de estado de um sistema termodinâmico. Nesse diagrama, o volume é plotado no eixo x
, e a pressão é plotada no eixo y
. Um estado é indicado por um ponto ( x, y
) correspondente a uma pressão e volume específicos. (Nota: a temperatura pode ser determinada a partir da pressão e do volume usando a lei dos gases ideais).

À medida que o estado muda de uma pressão e volume em particular para outra pressão e volume, uma curva pode ser desenhada no diagrama indicando a mudança de estado ocorreu. Por exemplo, um processo isobárico (no qual a pressão permanece constante) se pareceria com uma linha horizontal em um diagrama P-V. Outras curvas podem ser desenhadas conectando o ponto inicial e final e, consequentemente, resultam em diferentes quantidades de trabalho. É por isso que a forma do caminho no diagrama é relevante.

Um processo adiabático aparece como uma curva que obedece ao relacionamento:
P \\ propto \\ frac {1} {V ^ c}

Onde c
é a razão de aquecimentos específicos c _{p /c v ( c p
é o calor específico do gás para pressão constante, e c v
é o calor específico para volume constante). Para um gás monatômico ideal, c
\u003d 1,66, e para o ar, que é principalmente um gás diatômico, c
\u003d 1,4
Processos adiabáticos em motores de calor}

Os motores térmicos são motores que convertem energia térmica em energia mecânica por meio de um ciclo completo de algum tipo. Em um diagrama fotovoltaico, um ciclo de motor térmico formará um loop fechado, com o estado do motor terminando onde foi iniciado, mas trabalhando no processo de chegar lá.

Muitos processos funcionam apenas em uma direção ; no entanto, processos reversíveis funcionam igualmente bem para frente e para trás sem violar as leis da física. Um processo adiabático é um tipo de processo reversível. Isso o torna particularmente útil em um mecanismo de aquecimento, pois significa que ele não converte energia em uma forma irrecuperável.

Em um mecanismo de aquecimento, o trabalho total realizado pelo mecanismo é a área contida no loop de o ciclo.
Outros processos termodinâmicos

Outros processos termodinâmicos discutidos em mais detalhes em outros artigos incluem:

Processos isobáricos, que ocorrem a pressão constante. Elas parecerão linhas horizontais em um diagrama P-V. O trabalho realizado em um processo isobárico é igual ao valor da pressão constante multiplicado pela variação do volume.

Processo isocórico, que ocorre em volume constante. Eles se parecem com linhas verticais em um diagrama P-V. Devido ao fato de o volume não mudar durante esses processos, nenhum trabalho é feito.

Os processos isotérmicos ocorrem a temperatura constante. Como processos adiabáticos, estes são reversíveis. No entanto, para que um processo seja perfeitamente isotérmico, ele deve manter um equilíbrio constante, o que significa que teria que ocorrer infinitamente lentamente, em contraste com o requisito instantâneo de um processo adiabático.