Comente detalhadamente sobre a experiência de Gay-Lussac - Joule e a experiência de Joule - Thomson.
Passo 1
O enunciado pede um comentário detalhado sobre duas experiências clássicas de termodinâmica: a experiência de Gay-Lussac–Joule (também chamada de expansão livre de Joule) e a experiência de Joule–Thomson. O conteúdo principal é o comportamento térmico de gases puros submetidos a processos isentrópicos e isentalpicos, e o que essas experiências revelam sobre energia interna, entalpia e coeficientes termodinâmicos.
Passo 2
Na experiência de Gay-Lussac–Joule faz-se um gás ideal ou real expandir livremente de um recipiente A para um recipiente B, estando ambos perfeitamente isolados termicamente do exterior (processo adiabático) e conectados por um diafragma que se rompe repentinamente. Como não há trabalho de fronteira (o gás não desloca um pistão) nem troca de calor com ambiente, a primeira lei da termodinâmica reduz-se a
ou seja, a variação de energia interna
é nula. Em gases próximos ao comportamento ideal, observa-se experimentalmente que a temperatura não muda
. Isso mostra que para um gás ideal
e não depende de
. O coeficiente de Joule
é aproximadamente zero em condições ordinárias, confirmando a ideia de que gás ideal tem energia interna função apenas de temperatura.
Passo 3
Na experiência de Joule–Thomson faz-se o gás fluir de alta pressão
para baixa pressão
através de uma válvula de estrangulamento (ou orifício de Joule–Thomson), mantendo as paredes bem isoladas de modo que não haja troca de calor com o ambiente. Esse processo é aproximado como isoentalpico, pois na entrada e saída o trabalho de fluxo cancela e
, logo
O que se mede é a variação de temperatura
. Para gases reais,
pode ser negativo (resfriamento) ou positivo (aquecimento), dependendo da temperatura inicial e do tipo de gás. Define-se o coeficiente de Joule–Thomson
Se
o gás resfria ao expandir (caso de
,
a temperaturas abaixo da sua temperatura de inversão), e se
aquece (como ocorre com o hidrogênio e o hélio em condições ambientes). A curva de inversão no diagrama
separa regiões de aquecimento e resfriamento.
Passo 4
Em termos termodinâmicos, a experiência de Gay-Lussac–Joule demonstra que para gás ideal
, o que validou o modelo de gás ideal e a dependência
. A experiência de Joule–Thomson revela efeitos de não idealidade associados às forças intermoleculares e volume finito das moléculas, fornecendo dados para ajustar equações de estado reais (Van der Waals, Redlich–Kwong etc.) e permitindo projetar ciclos de refrigeração.
Resposta
Gay-Lussac–Joule: expansão livre adiabática com
, sem variação de temperatura em gás ideal, confirmando
e
.
Joule–Thomson: estrangulamento isoentalpico com , onde a variação de temperatura
depende da não idealidade do gás e do sinal de
, originando efeitos de resfriamento ou aquecimento conforme a curva de inversão.
Joule–Thomson: estrangulamento isoentalpico com