Sistema termodinâmico: propriedades, tipos, exemplos - Ciência - 2023

science

Contente

UMA sistema termodinâmico ou substância ativa é uma parte do universo que é escolhida para ser estudada pela termodinâmica. Esta é uma definição muito ampla, porque um sistema termodinâmico pode ser vasto como uma galáxia ou pode ser uma pequena quantidade de gás contido em um cilindro.

Tudo o que envolve o sistema termodinâmico, incluindo massa e espaço, é seu ambiente ou ambiente. Não se trata do resto do universo, mas apenas do meio ambiente capaz de afetar o sistema.

Em um sistema termodinâmico, a troca de massa ou energia entre o sistema e o entorno é possível, dependendo do tipo de sistema, sendo o ambiente onde estão localizados os observadores que o estudam.

Na análise de um sistema termodinâmico é importante estabelecer ofronteiras (limites ou paredes), que podem ser fixos ou móveis. Uma jarra de vidro ou metal tem paredes fixas, mas um êmbolo ou pistão tem paredes móveis.


Como tal, o limite pode ser uma superfície real ou imaginária, mas idealmente tem espessura zero, alguma rigidez e outras características que são descritas matematicamente.

Limites imaginários são necessários ao estudar sistemas que fazem parte de sistemas muito maiores, como uma estrela em uma nebulosa.

As trocas de calor entre o sistema e seus arredores, se houver, são os objetivos principais da termodinâmica. É por isso que as paredes que permitem a troca recebem um nome especial: adiabáticas, enquanto as que não permitem e isolam o sistema são diatérmicas.

Tipos de sistemas termodinâmicos

Existem diferentes tipos de sistemas termodinâmicos, que são classificados de acordo com sua capacidade de trocar matéria e energia com o meio ambiente, desta forma temos:


Sistemas abertos

A troca de matéria e energia com o exterior é permitida, por isso também são chamados controlar o volume.

Muitos sistemas em engenharia são modelados dessa forma, por exemplo, aquecedores de água domésticos e radiadores de automóveis.

Sistemas fechados

São também conhecidos como massa de controle e se caracterizam por não haver troca de matéria com o meio ambiente. Portanto, sua massa é fixa, porém a energia pode ultrapassar seu limite, seja como calor ou como trabalho. Desta forma, o volume do sistema pode variar.

Sistemas isolados

São sistemas fechados nos quais é evitada a troca de calor, trabalho ou qualquer forma de energia com o meio ambiente.

Sistemas homogêneos e sistemas heterogêneos

Os sistemas descritos foram classificados de acordo com sua capacidade de troca com o meio ambiente, mas este não é o único critério. Os sistemas termodinâmicos também podem ser homogêneos e heterogêneos.


As substâncias puras são bons exemplos de sistemas homogêneos, como o sal de cozinha armazenado no saleiro. Ao contrário, uma combinação de água líquida e vapor d'água é um sistema heterogêneo, uma vez que se trata de dois estados diferentes, cujas propriedades diferem.

Exemplos de sistemas termodinâmicos

Como vimos, os sistemas termodinâmicos variam dos mais simples aos mais complexos. No entanto, ao estudá-los, é conveniente defini-los cuidadosamente e tentar encontrar todas as formas de simplificar a análise.

Vejamos alguns exemplos de sistemas reais que nos acompanham no dia a dia:

Recipiente imerso em água

Este é um sistema termodinâmico muito simples e ilustrativo, e também uma boa forma de preparar alimentos. O conteúdo do recipiente, sejam ovos, uma mistura para um pudim ou outra preparação, é o sistema termodinâmico, enquanto o banho-maria constitui o ambiente ou meio ambiente.

Conforme a água é aquecida, o calor flui para o sistema através dos limites do recipiente.

A rapidez com que os alimentos cozinham depende de vários fatores, um dos quais é o material da panela: se é cerâmica ou metal. Sabemos que o metal é um bom condutor de calor, então esperamos que o conteúdo aqueça rapidamente se uma panela de aço ou alumínio for usada.

Em vez de aquecer o sistema, você pode querer esfriar, por exemplo, aquecer uma mamadeira com leite para bebês que foi superaquecido. Neste caso, o sistema transfere calor para o banho-maria.

Cozinhando em uma panela descoberta

A cozinha é um excelente local para encontrar processos termodinâmicos. Um molho, frango ou outro alimento cozido em panela aberta é um exemplo de sistema aberto, já que todos os tipos de trocas com o ambiente são permitidos: adicionar temperos, outros ingredientes e modificar o calor que é adicionado.

Motor de combustão interna

No motor de combustão interna de automóveis, motocicletas, aviões e barcos existe uma mistura de gás (ar) e combustível que é preparada no carburador e levada ao cilindro, onde pelo efeito da combustão torna-se uma mistura de gases vários.

Como a composição da mistura varia ao longo do ciclo de trabalho, é um sistema termodinâmico complexo e heterogêneo.

Café ou chá em uma garrafa térmica

Café ou chá permanecem quentes por mais tempo em uma garrafa térmica. É um recipiente dotado de paredes isolantes, justamente para evitar que nosso sistema - a bebida quente - ceda seu calor ao meio ambiente e resfrie.

Na verdade, uma garrafa térmica são dois recipientes, entre os quais é feito um vácuo parcial para evitar a presença de um meio como o ar, que ajuda a conduzir o calor de dentro para fora do recipiente.

Claro, a garrafa térmica também funciona ao contrário, serve para manter as bebidas geladas por mais tempo.

Ovos

Os ovos que consumimos como alimento são excelentes exemplos de sistemas termodinâmicos fechados, mas permitem a troca de energia com o meio ambiente. A casca do ovo permite que o calor da galinha choque o embrião, bem como a passagem dos gases.

Células

A célula é a unidade fundamental dos seres vivos e é um sistema termodinâmico maravilhosamente eficiente. Por extensão, qualquer ser vivo também pode ser considerado um sistema termodinâmico complexo.

A membrana celular que reveste as estruturas internas, como o núcleo e as mitocôndrias, é a fronteira entre o sistema e o ambiente. Isso permite a troca de energia, a chegada de nutrientes de fora e a saída de resíduos.

Enlatado

Alimentos enlatados são exemplos típicos de sistemas termodinâmicos fechados.

Aquecedor de água

A água dentro do aquecedor é um sistema termodinâmico aberto, uma vez que é necessário permitir que o calor chegue à água, geralmente por uma resistência elétrica que é aquecida, se o aquecedor for elétrico, ou por energia solar ou pela chama que vem de um isqueiro para o gás.

Referências

  1. Borgnakke. 2009. Fundamentals of Thermodynamics. 7ª Edição. Wiley and Sons.
  2. Cengel, Y. 2012. Thermodynamics. 7ª Edição. McGraw Hill.
  3. Energia solar. Sistemas termodinâmicos. Recuperado de: solar-Energía.net.
  4. Wikipedia. Sistemas termodinâmicos. Recuperado de: es.wikipedia.org.
  5. Wikipedia. Sistema termodinâmico. Recuperado de en.wikipedia.org.