Processo isotérmico: 31 coisas que a maioria dos iniciantes não sabe

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Definição isotérmica

Um processo isotérmico é um processo termodinâmico. Nesse processo isotérmico, a temperatura do sistema permanece constante durante todo o processo. Se considerarmos que a temperatura é T. A mudança de temperatura é ΔT.

Para o processo isotérmico, podemos dizer que ΔT = 0

Expansão isotérmica

A expansão isotérmica está aumentando o volume com uma temperatura constante do sistema.

Isotérmico - constante de temperatura

Expansão - Aumentando o volume

Processo Isotérmico: Expansão
Expansão Isotérmica

Vamos considerar o arranjo pistão-cilindro para entender se o pistão se move do BDC (ponto morto inferior) para o TDC (ponto morto superior) com uma temperatura constante do gás. Este processo isotérmico é considerado expansão isotérmica.

Compressão isotérmica

A compressão isotérmica está diminuindo o volume com uma temperatura constante do sistema.

Isotérmico - constante de temperatura

Compressão - diminuindo o volume

pistão cilindro 2
Compressão Isotérmica

Vamos considerar outra condição se o pistão estiver se movendo de TDC para BDC (Ponto morto inferior) com temperatura constante do gás. Este processo isotérmico é considerado compressão isotérmica.

Isotérmico vs adiabático

Isotérmico significa temperatura constante.

Adiabático significa energia térmica constante.

Algumas condições para um processo isotérmico são:

  • A temperatura deve permanecer constante.
  • A variação deve estar acontecendo em um ritmo lento.
  • O calor específico do gás é infinito.

Algumas condições básicas para adiabático são as seguintes:

  • Nenhuma transferência de calor ocorre no adiabático.
  • A variação deve acontecer em uma velocidade muito grande.
  • O calor específico do gás é 0 (Zero).

Calorimetria isotérmica

É uma técnica para encontrar a interação dos parâmetros termodinâmicos em uma solução química. Usando calorimetria isotérmica, pode-se encontrar afinidade de ligação, estequiometria de ligação e mudanças de entalpia entre duas ou mais interações de moléculas.

Amplificação isotérmica

É uma das técnicas utilizadas para monitoramento de patógenos. Nessas técnicas, o DNA é amplificado mantendo a sensibilidade superior à reação em cadeia da polimerase (PCR) de referência

Amplificação isotérmica de ácido nucleico

A amplificação isotérmica de ácidos nucléicos é uma técnica eficiente e de acúmulo mais rápido de ácido nucléico no processo isotérmico. É um processo simples e eficiente. Desde então, por volta de 1990, muitos processos de amplificação isotérmica foram desenvolvidos como alternativas à reação em cadeia da polimerase (PCR).

Diagrama de transformação isotérmica

Um diagrama de transformação isotérmica é usado para entender a cinética do aço. É também conhecido como diagrama de transformação tempo-temperatura.

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Diagrama de transformação de tempo-temperatura crédito Wikipedia

Está associado a propriedades mecânicas, microconstituintes / microestruturas e tratamentos térmicos em aços carbono.

Diagrama de PV isotérmico

PV Isotérmico 800px
Diagrama de PV isotérmico crédito Wikipedia

Exemplo de processo isotérmico

Isotérmico é um processo no qual a temperatura do sistema permanece inalterada ou constante.

Podemos tomar o exemplo de uma geladeira e bomba de calor. Aqui, em ambos os casos, a energia térmica é removida e adicionada, mas a temperatura do sistema permanece constante.

Exemplos: geladeira, bomba de calor

Trabalho isotérmico

Usamos o diagrama PV acima do parágrafo. Se quisermos escrever uma fórmula de trabalho feito para isso. Devemos considerar a área sob a curva AB-VA-VB. O trabalho feito para esta integral pode ser dado como,

W = nRT lnfrac{{Vb}}{Va}

Aqui na equação,

n é o número de moles

R é constante de gás

T é a temperatura em Kelvin

Camada isotérmica

Um termo de camada isotérmica é usado na ciência atmosférica. É definido como uma camada vertical de ar ou gás com temperatura constante em toda a altura. Esta situação está acontecendo no nível baixo da troposfera em várias situações de advecção.

PCR isotérmico

A forma completa de PCR é uma reação em cadeia da polimerase. Esta reação é usada em técnicas de amplificação isotérmica para amplificar DNA.

Equação do processo isotérmico

Se considerarmos a lei universal dos gases, a equação é dada como abaixo,

PV = nRT

Agora, aqui está em processo isotérmico, então T = Constante,

PV = constante

A equação acima é válida para um sistema fechado contendo gás ideal.

Discutimos o trabalho realizado anteriormente. Podemos considerar essa equação para o processo isotérmico. Como sabemos pela figura, Vb é o volume final e Va é o volume inicial.

W = nRT lnfrac{{Vb}}{Va}

Expansão isotérmica de um gás ideal

  • Isotérmico - a temperatura é constante.
  • Expansão - o volume está aumentando.

Isso significa que a expansão isotérmica aumenta o volume com uma temperatura constante do sistema.

Nesta condição, o gás está fazendo trabalha, então o trabalho será negativo porque o gás aplica energia para aumentar de volume.

A mudança na energia interna também é zero ΔU = 0 (gás ideal, temperatura constante)

Wrev = -int_{Va}^{Va}P dV

Wrev = -int_{Va}^{Va}frac{nRT}{V} dV

Wrev = -nRTlnesquerda | frac{Vb}{Va} certo |

Expansão reversível isotérmica

Este tópico é coberto para explicar a expansão isotérmica do gás ideal.

Reação isotérmica

Uma reação química que ocorre em uma temperatura, ou podemos dizer em uma temperatura constante, é uma reação isotérmica. Não há necessidade de mudança de temperatura para continuar a reação até o fim.

Expansão irreversível isotérmica

Um processo irreversível é um processo real que enfrentamos na realidade quase o tempo todo. O sistema e seus arredores não podem ser restaurados aos seus estados iniciais.

Sistema isotérmico

Discutimos o sistema isotérmico em expansão e compressão se considerarmos o arranjo pistão-cilindro.

Existem algumas suposições para este sistema, como,

  • Não há atrito entre o pistão e o cilindro
  • Não há perda de calor ou trabalho do sistema
  • A energia interna do sistema deve ser constante ao longo do processo isotérmico.

Se fornecermos calor na parte inferior do cilindro, o pistão se moverá de BDC para TDC, conforme mostrado na Figura. É uma expansão isotérmica. Da mesma forma, na compressão isotérmica reversa, como explicamos anteriormente. Este sistema completo é isotérmico.

Módulo de bulk isotérmico

Módulo a granel é recíproca da compressibilidade.

B(isotérmico) = -frac{Delta P}{frac{Delta V}{V}}

Aqui, o termo é o módulo de bulk isotérmico. Pode ser definido como a relação entre a variação da pressão e a variação do volume a uma temperatura constante. É igual a P (pressão) se resolvermos a equação acima.

Energia isotérmica interna

Já discutimos anteriormente que a energia interna do processo de temperatura constante permanece constante.

Coeficiente de compressibilidade isotérmica

O coeficiente de compressibilidade isotérmica pode ser considerado como a variação de volume por unidade de variação de pressão. Também é conhecido como compressibilidade do óleo. É amplamente utilizado na estimativa de recursos de petróleo ou gás em estudos de petróleo.

C(isotérmico) = -frac{1}{V}cdot frac{Delta P}{Delta V}

Transferência de calor isotérmica

O processo de expansão e compressão a temperatura constante funciona segundo o princípio da energia de degradação zero. Se a temperatura é constante, então a energia interna varia e entalpia mudança são zero. Assim, a transferência de calor é o mesmo que a transferência de trabalho.

Se aquecermos o gás em qualquer cilindro, a temperatura do gás aumentará. Queremos um sistema a uma temperatura constante, por isso temos que colocar um dissipador (fonte fria) para rejeitar a temperatura ganha.

Suponha que consideremos um cilindro com um pistão. O gás se expandirá no cilindro e o pistão dará trabalho de deslocamento devido ao aquecimento. A temperatura permanecerá constante neste caso também.

Atmosfera isotérmica

Pode ser definido como não há mudança na temperatura com a altura na atmosfera e a pressão diminui exponencialmente com o movimento para cima. Também é conhecido como atmosfera exponencial. Podemos dizer que a atmosfera está em equilíbrio hidrostático.

Neste tipo de atmosfera, podemos calcular a espessura entre duas alturas adjacentes com a equação dada abaixo,

Z2-Z1 =frac{RT}{g} lnfrac{P1}{P2}

Onde,

Z1 e Z2 são duas alturas diferentes,

P1 e P2 são pressões em Z1 e Z2, respectivamente,

R é constante de gás para ar seco,

T é a temperatura virtual em K,

g é a aceleração gravitacional em m / s2

Superfície isotérmica

Suponha que consideremos qualquer superfície plana, circular ou curvatura, etc. Se todos os pontos dessa superfície estiverem na mesma temperatura, então podemos dizer que a superfície é isotérmica.

Condições isotérmicas

Como minha palavra, sabemos que a temperatura do sistema deve permanecer constante neste processo isotérmico. Para manter a temperatura constante, o sistema está livre para alterar outros parâmetros como pressão, volume, etc. Também é possível durante este processo, a energia de trabalho e a energia térmica podem ser alteradas, mas a temperatura permanece a mesma.

Zona isotérmica

Esta palavra é geralmente usada na ciência atmosférica. É uma zona da atmosfera onde a temperatura relativa é constante a alguns quilômetros de altura. Geralmente, está na parte inferior da estratosfera. Esta zona oferece condições de aeronave convenientes por causa de sua temperatura constante, acesso geral a nuvens e chuvas, etc.

Linhas isotérmicas

Esta palavra é usada em geografia. Suponha que desenhemos uma linha em um mapa da Terra para conectar diferentes lugares cuja temperatura é a mesma ou quase a mesma. É conhecida como linha isotérmica em geral.

Aqui, cada ponto reflete a temperatura específica para leitura feita em um período de tempo.

Cinto isotérmico

Em 1858 Silas McDowell de Franklin, que recebeu esse nome para os países do oeste da Carolina do Norte, Rutherford e Polk. Este termo é usado para uma estação nessas zonas quando se pode cultivar frutas, vegetais, etc., facilmente devido à consistência da temperatura.

Isotérmico vs isobárico

Isotérmico - constante de temperatura

Isobárico - constante de pressão

todo o processo
Isobárica, isotérmica e adiabática processos no diagrama PV

Vamos comparar os dois processos para o trabalho realizado. De acordo com a figura, você pode perceber os dois processos. Como sabemos, esse trabalho realizado é uma área do integral. Na figura, podemos ver facilmente que a área de processo isobárico é mais obviamente, trabalho feito mais em isobárico. Existe alguma condição para isso. A pressão e o volume iniciais devem ser os mesmos. Isso não é verdade porque nunca conseguimos trabalho durante a isobárica em nenhum dos ciclos termodinâmicos. Este tópico é lógico.

A resposta correta depende do tipo de condição em que o volume é aumentado ou diminuído no processo.

Isotérmico vs isentrópico

Isotérmico - constante de temperatura

Isentrópico - constante de entropia

Vamos considerar o processo de compressão para entendê-lo,

Na compressão isotérmica, o pistão está comprimindo o gás muito lentamente. Tanto lentamente para manter a temperatura constante do sistema.

Considerando que, no caso de isentrópico, não deve haver transferência de calor possível entre o sistema e a vizinhança. A compressão isentrópica ocorrerá sem transferência de calor com entropia constante.

O processo isentrópico é semelhante ao adiabático, onde não há transferência de calor. O sistema para o processo isentrópico deve ser bem isolado para perda de calor. O processo de compressão isentrópica sempre dá mais trabalho devido à ausência de perda de calor.

Perguntas Frequentes:

Existe transferência de calor no processo isotérmico?

Resposta: Sim, agora a pergunta é por que e como?

Vamos considerar um exemplo de pistão-cilindro para entendê-lo,

Se o calor for fornecido à parte inferior do cilindro. A temperatura será mantida constante e o pistão se moverá. Processo de expansão ou compressão. O calor é transferido, mas a temperatura do sistema permanecerá a mesma. É por isso que durante o ciclo de Carnot, o calor é adicionado a uma temperatura constante.

Por que o processo isotérmico é muito lento?

É necessário que o processo isotérmico ocorra lentamente. Agora veja, a transferência de calor é possível mantendo a temperatura do sistema constante. Significa que existe um Equilíbrio térmico do sistema com o corpo. O tempo do processo é lento para manter esse equilíbrio térmico e temperatura constante. O tempo necessário para a efetiva transferência de calor será maior, tornando o processo lento.

Problemas de exemplo de processo isotérmico

Existem muitas aplicações no dia-a-dia com uma temperatura constante. Alguns deles são explicados a seguir,

  • A temperatura dentro da geladeira é mantida
  • É possível derreter o gelo mantendo a temperatura constante a 0 ° C
  • O processo de mudança de fase ocorre a uma temperatura, evaporação e condensação constantes
  • Bomba de calor que funciona oposto à refrigeração

Quais são alguns exemplos da vida real de um processo isotérmico?

Há um grande número de exemplos que podem ser possíveis para esta questão. Por favor, consulte as perguntas acima.

Qualquer processo de mudança de fase ocorrendo em temperatura constante é um exemplo de processo isotérmico.

Evaporação de água do mar e rio,

Congelamento de água e derretimento de gelo.

Por que o processo isotérmico é mais eficiente que o processo adiabático?

Vamos considerar o processo reversível. Se o processo é expansão, então o trabalho do processo isotérmico é maior do que adiabático. Você pode notar por um diagrama. O trabalho realizado é uma área sob a curva.

Suponha que o processo seja de compressão, então oposto à sentença acima. O trabalho realizado no processo adiabático é mais.

Julgar esta questão depende de todas as condições. De acordo com a condição acima, o processo isotérmico é mais eficiente do que o adiabático.

Qual será o calor específico para um processo isotérmico um processo adiabático e por que?

O calor específico pode ser definido como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de uma substância em 1 grau.

Q = m Cp Delta T

Se o processo é a temperatura constante, o ΔT = 0, então o calor específico é indefinido ou infinito.

Cp = infinito (se a temperatura for constante)

Para o processo adiabático, a transferência de calor não é possível, Q = 0

Cp = 0 (transferência de calor é 0)

Em um processo isotérmico, a mudança na energia interna é 0 Por que?

A energia interna é a função da energia cinética das moléculas.

A temperatura indica a energia cinética média das moléculas associadas ao sistema.

Se a temperatura permanecer constante, não haverá alteração na energia cinética. Portanto, a energia interna permanece constante. A mudança na energia interna é zero.

O que é mais eficiente compressão isotérmica ou compressão isentrópica, e por que?

O processo isentrópico ocorre em entropia constante sem transferência de calor. Este processo é sempre ideal e reversível. No processo de compressão isentrópica, a energia interna está aumentando, pois não há possibilidade de transferência de calor entre o sistema e o ambiente.

Na compressão isotérmica, o processo ocorre muito lentamente, pois a temperatura e a energia interna permanecem constantes. Existe transferência de calor entre o sistema e o ambiente.

É por isso que o processo de compressão isentrópica é mais eficiente.

Um processo isotérmico tem uma alteração de entalpia?

Podemos entender isso claramente pela equação da entalpia.

A entalpia H é dada como abaixo,

Mudança na entalpia = mudança na energia interna + mudança na PV

Para processos de temperatura constante,

Mudança na energia interna = 0,

Mudança em PV = 0.

É por isso que mudar em entalpia = 0

Por que uma curva adiabática é mais íngreme do que uma curva isotérmica?

No processo adiabático, a temperatura do sistema aumenta durante a compressão. Está diminuindo durante a expansão. Devido a isso, essa curva cruza a curva isotérmica em um determinado ponto do diagrama.

No isotérmico, não há mudança de temperatura. A curva não se tornará mais íngreme como a adiabática.

O que aconteceria se eu aumentasse o volume de um sistema em um processo isotérmico com energia externa?

 Suponha que você aumente o volume do sistema. Você quer que o sistema seja isotérmico. Você tem que fazer outro arranjo para manter a temperatura. O aumento do volume diminui a pressão.

O que há de tão especial na palavra “reversível” em um processo isotérmico ou adiabático?

O primeiro lei da termodinâmica afirma que ambos os processos esboçados no diagrama PV são médias reversíveis. O sistema chegará ao seu estágio inicial para permanecer em equilíbrio.

Por que isotérmico e adiabático no motor de Carnot?

A Ciclo de Carnot é o mais eficiente em termodinâmica. A razão por trás disso é que todo o processo no ciclo é reversível.

Carnot tentou transferir energia entre duas fontes em temperatura constante (isotérmica).

Ele tentou maximizar o trabalho de expansão e minimizar a compressão necessária. Ele selecionou um processo adiabático para isso.

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