7- O que são processos de expansões livres?
Passo 1
A questão pede para entender o que é um processo de expansão livre; o assunto é Termodinâmica de gases, e vamos precisar conhecer definições de trabalho, calor e irreversibilidade em processos de expansão.
Passo 2
Expansão livre é quando um gás dentro de um recipiente se expande para um volume maior sem encontrar resistência externa, ou seja, dentro de uma câmara de vácuo. Não há pistão ou pressões opostas que realizem trabalho sobre o ambiente.
Em termos de energia, como não há pressão externa agindo, o trabalho realizado é zero. Ou seja, ,W=\int p_{ext},dV e aqui , logo
. Além disso, o sistema fica isolado termicamente, então não há fluxo de calor (
).
Em termos de energia, como não há pressão externa agindo, o trabalho realizado é zero. Ou seja, ,W=\int p_{ext},dV e aqui
Passo 3
Por não haver troca de calor nem realização de trabalho, a variação de energia interna do sistema vem da primeira lei:
. Contudo, o processo não é reversível: ele ocorre sem equilíbrio interno, causando aumento de entropia do gás.
No caso de um gás ideal, como , temos
implicando
. Para gases reais, pode haver pequena variação de temperatura associada ao efeito Joule.
No caso de um gás ideal, como
Passo 4
Em resumo, expansão livre é um processo adiabático e irreversível de expansão de um gás em vácuo, sem realização de trabalho nem troca de calor, onde a entropia do sistema aumenta.
Resposta
Processos de expansão livre são expansões adiabáticas e irreversíveis de um gás em vácuo, sem trabalho (
) nem calor trocado (
), caracterizadas por não passarem por estados de equilíbrio e elevarem a entropia do sistema.