Estados, Processos e Propriedades Intensivas e Extensivas

Teoria Completa

Estado, processo e ciclo

O estado de um sistema é uma fotografia da condição em que ele se encontra. Assim como uma imagem é composta pela cor de cada pixel, o estado de um sistema é composto pelo valor de cada propriedade termodinâmica no momento da foto: valores de pressão, temperatura e massa específica, por exemplo.

Se mudarmos a cor de um único pixel da imagem, dizemos que a imagem mudou. Analogamente, quando o valor de pelo menos uma propriedade de um sistema é alterado, dizemos que ocorreu uma mudança de estado.

Assim como uma sequência de fotos forma um filme, a sucessão de estados percorridos pelo sistema formam um processo termodinâmico.

Quando um sistema em um estado inicial passa por processos, mas no final retorna ao estado inicial, dizemos que esse sistema executou um ciclo.

Propriedades extensivas e intensivas

As propriedades termodinâmicas podem ser divididas em duas classes gerais: extensivas e intensivas.

As propriedades extensivas têm uma característica em comum. Essa característica é a seguinte: se separarmos o sistema em diversas partes a propriedade “X” do sistema como um todo será igual à soma dessa propriedade “X” considerando todas as partes. Como assim?

Por exemplo: o valor da massa de todo o sistema é igual à soma do valor das massas de cada parte desse sistema. O mesmo fato ocorre para o volume. Seu valor total é igual à soma do volume das partes.

Por isso, falamos que as propriedades extensivas são aditivas. Por essa mesma causa, dizemos que o valor das propriedades extensivas depende diretamente da extensão do sistema considerado. Quanto maior a parte da substância que a fronteira inclui, maior seu valor.

As propriedades intensivas não possuem essa característica. Podemos notar que se dividirmos, em duas partes iguais, um sistema com valores uniformes de pressão, temperatura e massa específica, cada parte terá o mesmo valor de temperatura, pressão e massa específica.

Ou seja, o valor total da propriedade intensiva de um sistema não é a soma dos valores relativos a cada parte do sistema! Por isso, os seus valores médios não necessariamente aumentam, conforme aumentamos o volume englobado pela fronteira. Eles são independentes desse tamanho.

Então, a diferença entre uma propriedade extensiva e uma intensiva é que o valor da propriedade extensiva muda de acordo com o tamanho e a massa do sistema que estamos analisando. Já a propriedade intensiva é igual para qualquer tamanho e massa do sistema.

Atenção! Assim como um corpo extenso é composto de pontos com posições e quantidades de movimento distintos, um sistema pode conter pontos com temperaturas, pressões e outras propriedades intensivas diferentes entre si. Ou seja, o valor da propriedade intensiva pode variar de ponto a ponto no sistema, isso na teoria, na prática vamos ver que não é bem assim. Se liga na explicação abaixo.

Processo de quase-equilíbrio

Se o valor de todas propriedades intensivas de um sistema podem variar de ponto pra ponto, como seria viável conhecer o estado do sistema como um todo? Se um sistema possui infinitos pontos, precisaríamos descobrir os infinitos valores de cada propriedade intensiva para completar a tarefa de determinar seu estado, correto?

E os problemas não param por aí! Como poderíamos estudar os processos que o sistema percorre, se eles são compostos de infinitos estados? Calma, porque temos uma solução! Existe uma aproximação muito comum na termodinâmica que facilitará nosso trabalho.

Nos exercícios de termodinâmica, consideramos que as transformações pelas quais o sistema passa são uma sequência de estados em equilíbrio. Isso significa, que cada um desses estados tem o mesmo valor de temperatura, pressão e massa específica por todo o sistema. Esse processo simplificado é chamado de processo de quase-equilíbrio.

Então olha só! Repara que no estado A a pressão e a temperatura são uniformes em todo o sistema, ou seja, aquela moleculazinha no cantinho da esquerda vai ter a mesma temperatura que a moleculazinha do cantinho da direita.

Embora as distribuições de temperatura e pressão sejam uniformes em cada um dos estados, por se tratar de um processo, a temperatura do estado A é diferente da temperatura do estado B que é diferente de C que é diferente de D.

Essa é a definição de um processo de quase-equilíbrio, é aquele processo em que as propriedades variam de um estado para o outro, mas ao mesmo tempo são uniformes dentro de um mesmo estado.

Processos isotérmico, isobárico e isocórico

Alguns processos aparecem com muita frequência em questões de termodinâmica. Eles possuem o prefixo iso no seu nome para indicar que uma propriedade do sistema se manteve constante ao longo da transformação.

Um exemplo desse tipo comum de mudança de estado é o processo isotérmico. Durante todo o seu progresso, a temperatura do sistema permanece a mesma. Na figura abaixo o volume muda e o sistema perde calor mas repare que a temperatura é a mesma nos três estados.

Outro exemplo muito recorrente é o processo isobárico. Durante todo o seu desenvolvimento, a pressão do sistema não muda. Na figura abaixo o volume também diminui e apesar de não estar representado existe um trabalho sendo aplicado sobre o gás, mas a pressão permanece constante.

O processo isocórico ou isovolumétrico mantém o volume do sistema constante no seu percurso. Aqui a temperatura do sistema aumenta, por causa da chama, e o volume permanece constante.

Portanto essas designações de isocórico, isobárico e isotérmico residem apenas no fato das propriedades volume, pressão e temperatura, respectivamente, se manterem constantes. Pouco importando com o fato de outra propriedade ser constante ou não.

Partiu exercícios?

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Exercício Resolvido #1

Michael A. Boles e Yunus A. Çengel, Thermodynamics: An Engineering Approach, 8ª ed. New York: McGraw-Hill Education, 2015, pp. 42-1.26C

Defina os processos isotérmico, isobárico e isocórico.

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Passo 1

O enunciado pede para explicarmos o significado dos termos isotérmico, isobárico e isocórico usados para definir tipos de processos.

Atenção! Gravar esses significados será fundamental para saber resolver exercícios mais complexos de termodinâmica.

Vamos explicar as definições de cada processo separadamente nessa ordem:

  1. Processo isotérmico
  2. Processo isobárico
  3. Processo isocórico

Passo 2

O processo isotérmico mantém a temperatura do sistema igual durante todo o seu progresso.

Passo 3

Durante um processo isobárico, a pressão do sistema não muda.

Passo 4

Por fim, o processo isocórico ou isovolumétrico mantém o volume do sistema constante ao longo seu percurso.

Vale notar que o nome de todos esses processos começa com o prefixo iso. Esse termo indica que uma propriedade do sistema se manteve constante ao longo da transformação!

Resposta

O processo isotérmico mantém a temperatura do sistema constante durante todo o seu progresso. Já o processo isobárico mantém a pressão do sistema igual ao longo dessa transformação. Por fim, no decorrer de um processo isocórico, o volume do sistema não muda.

Exercício Resolvido #2

Michael A. Boles e Yunus A. Çengel, Thermodynamics: An Engineering Approach, 8ª ed. New York: McGraw-Hill Education, 2015, pp. 42-1.21C

Qual é a diferença entre as propriedades intensivas e extensivas?

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Passo 1

A maior dica para gravarmos essa diferença é lembrar o motivo de uma propriedade extensiva ter esse nome. Essa razão é justamente a diferença entre esses dois tipos de propriedade.

  1. Para isso, vamos primeiro imaginar a fronteira de um sistema expandindo e englobando cada vez mais a substância que está ao seu redor.
  2. Depois, vamos verificar o efeito dessa expansão de fronteira sobre as propriedades intensivas, como a temperatura e a pressão.
  3. Por último, vamos verificar o efeito dessa expansão sobre propriedades extensivas, como o volume e a massa.

Agora vamos comparar como cada classe varia, conforme a região cresce do sistema A para o sistema C.

Passo 2

Ao longo do processo de expansão da fronteira, o sistema ampliado pode englobar regiões mais quentes ou mais frias, com pressão maior ou menor que os valores iniciais.

Portanto, essas quantidades não são proporcionais a esse crescimento. Em outras palavras, elas são independentes da extensão do sistema, por variarem aleatoriamente como esse tamanho.