Expansão livre - Caso especial
Por: Lucas O.
21 de Agosto de 2015

Expansão livre - Caso especial

Física Termodinâmica EM Colisões Conservação de energia Equilíbrio Gases Calor Trabalho Energia Cinética EsSA

 - Considere um recipiente de paredes rígidas (indeformáveis) e adiabáticas (isolantes térmicas, não permitem trocas de calor através delas), dividido em duas partes por uma fina menbrana. Numa das partes coloca-se uma certa massa de gás perfeito, enquanto na outra faz-se vácuo. Se, subitamente, a menbrana se rompe, o gás expande-se através da região de vácuo, realizando um processo denominado expansão livre.

 

Sendo o recipiente feito de material isolante térmico (paredes adiabáticas), o sistema gasoso não troca calor (Q=0), com o ambiente externo. Trata-se de uma expansão adiabática. Adicionalmente, nessa expansão gasosa, em vez de emprrar um êmbolo ou mesmo a atmosfera, o gás se expande contra o vácuo,isto é, se expande empurrando o vazio.

Durante essa expansão gasosa, não ocorrem as colisões entre moléculas do gás e uma parede móvel (êmbolo móvel), colisões essas que levariam a variação da energia cinética (realização de trabalho) das moléculas do gás. Ocorrem apenas colisões elásticas entre moléculas do gás e paredes fíxas, colisões essas que não produzem variação da energia cinética das moléculas do gás (não há realização de trabalho sobre as moléculas do gás). Assim :

- A EXPANSÃO LIVRE É O ÚNICO CASO DE EXPANSÃO EM QUE O GÁS NÃO REALIZA TRABALHO.

Dessa forma, se o gás não trocou energia com o ambiente externo nem na forma de calor (Q=0) nem na forma de trabalho, deduzimos (pela conservação de energia -1º lei da termodinãmica) que, comparando-se as energias internas do gás nos estado inicial e final, elas são iguais U(final)=U(inicial).

 

Da igualdade entre as energias internas do estado inicial e final U(final)=U(inicial), concluímos que também são iguais as temperaturas dos estado inicial e final do gás, numa expansão livre T(inicial)=T(final).

Um gás encontra-se em equilíbro termodinâmico qundo ele apresenta características uniformes, com a mesma pressão, temperatura e densidade em todo o seio,não apresentando por exemplo, turbulências nem zonas de vácuo em seu interior.

As variáveis de estado temperatura T e presão P de um gás só estão bem definidas quando ele encontra-se em um estado de equilibro termodinâmico. Caso contrário, não há como se determinar a temperatura e pressão do gás. Adicionalmente, a equação de estado dos gases ideais, PV=nRT só é satisfeita quando o gás está em equilíbro termodinâmico.

Durante uma Expansão Livre, o gás apresenta um comportamento caótico e turbulento, não apresentando nem temperatura,nem pressão e nem densidade uniformes em todo o seu seio. Por esse motivo, no decorrer da expansão livre, a temperatura do gás encontra-se indefinida (além de não ser válida a equação de estado pV=nRT), até que ele atinja a situação final de equilíbrio termodinâmico.

A temperatura do gás só está definida antes de a expansão livre ter início, e no final do processo, quando o gás atinge um novo estado de equilíbrio termodinâmico.

Para que uma transformação seja classificada como isotérmica, a temperatura do gás deve ser bem definida em todo o processo, desde o estado inicialaté o estado final, apresentando um mesmo valor durante todo o processo, o que não ocorre durante a expansão livre.

Assim, concluímos que uma Expansão Livre não é um processo isotérmico, embora as temperaturas inicial e final do gás sejam iguais.

 

♣♣ Mais uma tese sobre alguns tópicos da física interessante! Vale a pena dar uma lida. Até a próxima.

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Lucas O.
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Lucas O.
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