Processos termodinâmicos: conceito, tipos e exemplos - Ciência - 2023

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o processos termodinâmicos são os fenômenos físicos ou químicos que envolvem um fluxo de calor (energia) ou trabalho entre um sistema e seus arredores. Quando se fala em calor, racionalmente vem à mente a imagem do fogo, que é a manifestação quintessencial de um processo que libera muita energia térmica.

O sistema pode ser macroscópico (um trem, um foguete, um vulcão) e microscópico (átomos, bactérias, moléculas, pontos quânticos, etc.). Este é separado do resto do universo para considerar o calor ou trabalho que entra ou sai dele.

Porém, além de existir o fluxo de calor, os sistemas também podem gerar mudanças em alguma variável de seu ambiente em resposta ao fenômeno considerado. De acordo com as leis da termodinâmica, deve haver uma compensação entre a resposta e o calor para que a matéria e a energia sejam sempre conservadas.

O acima é válido para sistemas macroscópicos e microscópicos. A diferença entre o primeiro e o último são as variáveis que são consideradas para definir seus estados de energia (em essência, o inicial e o final).

Porém, os modelos termodinâmicos buscam conectar os dois mundos controlando variáveis como pressão, volume e temperatura dos sistemas, mantendo algumas dessas constantes para estudar o efeito das demais.

O primeiro modelo que permite essa aproximação é o dos gases ideais (PV = nRT), onde n é o número de moles, que dividido pelo volume V dá o volume molar.

Em seguida, expressando as mudanças entre o sistema ao redor em função dessas variáveis, outras podem ser definidas, como o trabalho (PV = W), essencial para máquinas e processos industriais.

Por outro lado, para fenômenos químicos outros tipos de variáveis termodinâmicas são de maior interesse. Estas estão diretamente relacionadas com a liberação ou absorção de energia e dependem da natureza intrínseca das moléculas: a formação e os tipos de ligações.

Sistemas e fenômenos em processos termodinâmicos

Na imagem superior estão representados os três tipos de sistemas: fechado, aberto e adiabático.

No sistema fechado não há transferência de matéria entre ele e seus arredores, de modo que nenhuma matéria pode entrar ou sair; no entanto, a energia pode cruzar os limites da caixa. Em outras palavras: o fenômeno F pode liberar ou absorver energia, modificando assim o que está além da caixa.

Por outro lado, no sistema aberto, os horizontes do sistema têm suas linhas pontilhadas, o que significa que tanto a energia quanto a matéria podem ir e vir entre ele e o ambiente.

Finalmente, em um sistema isolado, a troca de matéria e energia entre ele e o ambiente é zero; por isso, na imagem, a terceira caixa está dentro de uma bolha. É necessário esclarecer que o entorno pode ser o resto do universo, e que o estudo é aquele que define até que ponto considerar a abrangência do sistema.

Fenômenos físicos e químicos

O que é especificamente o fenômeno F? Indicado pela letra F e dentro de um círculo amarelo, o fenômeno é uma mudança que ocorre e pode ser a modificação física da matéria, ou sua transformação.

Qual é a diferença? Sucintamente: o primeiro não quebra nem cria novos vínculos, enquanto o segundo sim.

Assim, um processo termodinâmico pode ser considerado consoante o fenômeno seja físico ou químico. No entanto, ambos têm em comum uma mudança em alguma propriedade molecular ou atômica.

Exemplos de fenômenos físicos

O aquecimento de água em uma panela causa um aumento nas colisões entre suas moléculas, a ponto de a pressão de seu vapor igualar a pressão atmosférica, e então ocorrer a mudança de fase de líquido para gás. Em outras palavras: a água evapora.

Aqui, as moléculas de água não estão quebrando nenhuma de suas ligações, mas estão passando por mudanças energéticas; ou o que é o mesmo, a energia interna U da água é modificada.

Quais são as variáveis termodinâmicas para este caso? Pressão atmosférica P_antigo, o produto da temperatura da combustão do gás de cozinha e o volume da água.

A pressão atmosférica é constante, mas a temperatura da água não, pois ela esquenta; nem o volume, porque suas moléculas se expandem no espaço. Este é um exemplo de fenômeno físico dentro de um processo isobárico; ou seja, um sistema termodinâmico com pressão constante.

E se você colocar a água com um pouco de feijão em uma panela de pressão? Nesse caso, o volume permanece constante (desde que a pressão não seja aliviada no momento do cozimento dos grãos), mas a pressão e a temperatura mudam.

Isso ocorre porque o gás produzido não consegue escapar e ricocheteia nas paredes da panela e na superfície do líquido. Falamos então de outro fenômeno físico, mas dentro de um processo isocórico.

Exemplos de fenômenos químicos

Foi mencionado que existem variáveis termodinâmicas inerentes aos fatores microscópicos, como a estrutura molecular ou atômica. Quais são essas variáveis? Entalpia (H), entropia (S), energia interna (U) e energia livre de Gibbs (S).

Essas variáveis intrínsecas da matéria são definidas e expressas em termos de variáveis termodinâmicas macroscópicas (P, T e V), de acordo com o modelo matemático selecionado (geralmente o de gases ideais). Graças a isso, estudos termodinâmicos podem ser realizados em fenômenos químicos.

Por exemplo, você deseja estudar uma reação química do tipo A + B => C, mas a reação só ocorre a uma temperatura de 70 ºC. Além disso, em temperaturas acima de 100 ºC, em vez de C sendo produzido, D.

Nessas condições, o reator (conjunto onde ocorre a reação) deve garantir uma temperatura constante em torno de 70 ºC, para que o processo seja isotérmico.

Tipos e exemplos de processos termodinâmicos

Processos adiabáticos

São aqueles em que não há transferência líquida entre o sistema e seu entorno. Isso a longo prazo é garantido por um sistema isolado (a caixa dentro da bolha).

Exemplos

Um exemplo disso são os calorímetros, que determinam a quantidade de calor liberada ou absorvida em uma reação química (combustão, dissolução, oxidação, etc.).

Dentro dos fenômenos físicos está o movimento gerado pelo gás quente devido à pressão exercida sobre os pistões. Da mesma forma, quando uma corrente de ar exerce pressão sobre uma superfície terrestre, sua temperatura aumenta à medida que é forçada a se expandir.

Por outro lado, se a outra superfície for gasosa e tiver densidade menor, sua temperatura diminuirá ao sentir uma pressão maior, forçando a condensação de suas partículas.

Os processos adiabáticos são ideais para muitos processos industriais, onde menor perda de calor significa menor desempenho, o que se reflete nos custos. Para considerá-lo como tal, o fluxo de calor deve ser zero ou a quantidade de calor que entra no sistema deve ser igual à que entra no sistema.

Processos isotérmicos

Processos isotérmicos são todos aqueles em que a temperatura do sistema permanece constante. Ele faz isso trabalhando, de modo que as outras variáveis (P e V) variam com o tempo.

Exemplos

Os exemplos desse tipo de processo termodinâmico são inúmeros. Em essência, grande parte da atividade celular ocorre em temperatura constante (a troca de íons e água através das membranas celulares). Dentro das reações químicas, todas aquelas que estabelecem o equilíbrio térmico são consideradas processos isotérmicos.

O metabolismo humano consegue manter uma temperatura corporal constante (aproximadamente 37ºC) por meio de uma ampla série de reações químicas. Isso é conseguido graças à energia obtida dos alimentos.

Mudanças de fase também são processos isotérmicos. Por exemplo, quando um líquido congela, ele libera calor, impedindo que a temperatura continue diminuindo até que esteja completamente na fase sólida. Assim que isso acontecer, a temperatura pode continuar diminuindo, porque o sólido não libera mais energia.

Nos sistemas que envolvem gases ideais, a mudança na energia interna U é zero, então todo o calor é usado para fazer o trabalho.

Processos isobáricos

Nestes processos a pressão no sistema permanece constante, variando seu volume e temperatura. Em geral, podem ocorrer em sistemas abertos para a atmosfera, ou em sistemas fechados cujos limites podem ser deformados pelo aumento do volume, de forma a neutralizar o aumento da pressão.

Exemplos

Nos cilindros internos dos motores, quando o gás é aquecido, ele empurra o pistão, o que altera o volume do sistema.

Se assim não fosse, a pressão aumentaria, pois o sistema não tem como reduzir as colisões das espécies gasosas nas paredes dos cilindros.

Processos isocóricos

Em processos isocóricos, o volume permanece constante. Também podem ser considerados aqueles em que o sistema não gera nenhum trabalho (W = 0).

Basicamente, são fenômenos físicos ou químicos que são estudados dentro de qualquer recipiente, seja com agitação ou não.

Exemplos

Exemplos desses processos são o cozimento de alimentos, o preparo do café, o resfriamento de uma jarra de sorvete, a cristalização de açúcar, a dissolução de um precipitado pouco solúvel, uma cromatografia de troca iônica, entre outros.

Referências

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