Processo isocórico: fórmulas e cálculos, exemplos diários - Ciência - 2023

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UMAprocesso isocórico São todos processos termodinâmicos em que o volume permanece constante. Esses processos também são frequentemente chamados de isométricos ou isovolumétricos. Em geral, um processo termodinâmico pode ocorrer a pressão constante e é então chamado de isobárico.

Quando ocorre a temperatura constante, nesse caso é considerado um processo isotérmico. Se não houver troca de calor entre o sistema e o meio ambiente, é denominado adiabático. Por outro lado, quando há um volume constante, o processo gerado é denominado isocórico.

No caso do processo isocórico, pode-se afirmar que nesses processos o trabalho pressão-volume é nulo, pois resulta da multiplicação da pressão pelo aumento de volume.

Além disso, em um diagrama de pressão-volume termodinâmico, os processos isocóricos são representados como uma linha reta vertical.

Fórmulas e cálculos

O primeiro princípio da termodinâmica

Em termodinâmica, o trabalho é calculado a partir da seguinte expressão:

W = P ∙ ∆ V

Nessa expressão, W é o trabalho medido em Joules, P a pressão medida em Newton por metro quadrado e ∆ V é a variação ou aumento no volume medido em metros cúbicos.

Da mesma forma, o chamado primeiro princípio da termodinâmica estabelece que:

∆ U = Q - W

Nesta fórmula, W é o trabalho realizado pelo sistema ou no sistema, Q é o calor recebido ou emitido pelo sistema, e ∆ U é a variação de energia interna do sistema.Desta vez, as três magnitudes são medidas em Joules.

Como em um processo isocórico o trabalho é nulo, verifica-se que:

∆ U = Q_V (uma vez que, ∆ V = 0 e, portanto, W = 0)

Em outras palavras, a variação da energia interna do sistema se deve exclusivamente à troca de calor entre o sistema e o meio ambiente. Nesse caso, o calor transferido é denominado calor de volume constante.

A capacidade calorífica de um corpo ou sistema resulta da divisão da quantidade de energia na forma de calor transferida para um corpo ou sistema em um determinado processo e a mudança de temperatura experimentada por ele.

Quando o processo é realizado em volume constante, falamos de capacidade de calor em volume constante e é denotado por C_v (capacidade de calor molar).

Será cumprido nesse caso:

Q_v = n ∙ C_v∙ ∆T

Nesta situação, n é o número de moles, C_v é a capacidade de calor molar acima mencionada em volume constante e ∆T é o aumento da temperatura experimentado pelo corpo ou sistema.

Exemplos do dia a dia

É fácil imaginar um processo isocórico, basta pensar em um processo que ocorre em volume constante; isto é, no qual o recipiente que contém a matéria ou sistema material não muda seu volume.

Um exemplo poderia ser o caso de um gás (ideal) encerrado em um recipiente fechado cujo volume não pode ser alterado por nenhum meio ao qual seja fornecido calor. Suponha o caso de um gás encerrado em uma garrafa.

Ao transferir calor para o gás, como já explicado, isso acabará resultando em um aumento ou aumento de sua energia interna.

O processo inverso seria o de um gás encerrado em um recipiente cujo volume não pode ser alterado. Se o gás for resfriado e fornecer calor ao ambiente, então a pressão do gás será reduzida e o valor da energia interna do gás diminuirá.

O ciclo Otto ideal

O ciclo Otto é um caso ideal do ciclo usado pelas máquinas a gasolina. No entanto, seu uso inicial foi em máquinas que utilizavam gás natural ou outros tipos de combustíveis no estado gasoso.

Em qualquer caso, o ciclo de Otto ideal é um exemplo interessante de um processo isocórico. Ocorre quando a combustão da mistura gasolina-ar ocorre instantaneamente em um vagão de combustão interna.

Nesse caso, ocorre um aumento da temperatura e da pressão do gás no interior do cilindro, permanecendo o volume constante.

Exemplos práticos

Primeiro exemplo

Dado um gás (ideal) encerrado em um cilindro equipado com um pistão, indique se os seguintes casos são exemplos de processos isocóricos.

- Uma obra de 500 J é feita no gás.

Nesse caso não seria um processo isocórico, pois para realizar um trabalho no gás é necessário comprimi-lo e, portanto, alterar seu volume.

- O gás se expande deslocando horizontalmente o pistão.

Novamente, não seria um processo isocórico, uma vez que a expansão do gás implica uma mudança em seu volume.

- O pistão do cilindro é fixado de forma que não possa se mover e o gás seja resfriado.

Desta vez seria um processo isocórico, já que não haveria variação de volume.

Segundo exemplo

Determine a variação da energia interna que um gás contido em um recipiente com volume de 10 L sob 1 atm de pressão experimentará se sua temperatura subir de 34 ºC para 60 ºC em um processo isocórico, conhecido como calor específico molar. C_v = 2.5·R (ser R = 8,31 J / mol K).

Por se tratar de um processo de volume constante, a variação da energia interna só ocorrerá em decorrência do calor fornecido ao gás. Isso é determinado com a seguinte fórmula:

Q_v = n ∙ C_v∙ ∆T

Para calcular o calor fornecido, é necessário primeiro calcular os moles de gás contidos no recipiente. Para isso, é necessário recorrer à equação do gás ideal:

P ∙ V = n ∙ R ∙ T

Nessa equação, n é o número de moles, R é uma constante cujo valor é 8,31 J / molK, T é a temperatura, P é a pressão a que o gás é submetido, medida em atmosferas, e T é a temperatura. medido em Kelvin.

Resolva para n e obtenha:

n = R ∙ T / (P ∙ V) = 0,39 moles

De modo que:

∆ U = Q_V = n ∙ C_v∙ ∆T = 0,39 ∙ 2,5 ∙ 8,31 ∙ 26 = 210,65 J

Referências

Resnik, Halliday & Krane (2002).Física Volume 1. Cecsa.
Laider, Keith, J. (1993). Oxford University Press, ed.O Mundo da Química Física.
Capacidade de calor. (n.d.). Na Wikipedia. Recuperado em 28 de março de 2018, em en.wikipedia.org.
Calor latente. (n.d.). Na Wikipedia. Obtido em 28 de março de 2018, em en.wikipedia.org.
Processo Isocórico. (n.d.). Na Wikipedia. Recuperado em 28 de março de 2018, em en.wikipedia.org.