Uma amostra contendo 1 mol de um gás ideal monoatômico (
) está inicialmente em equilíbrio a 1 atm de pressão e 300 K. Uma pressão externa constante de 5 atm é aplicada repentinamente, comprimindo o gás para um estado final de equilíbrio onde a pressão é 5 atm e a temperatura 400 K. Em relação a este processo:
(a) É um processo reversível, irreversível, ou não há informação suficiente para se determinar sua reversibilidade ou irreversibilidade? Por que?
(a) É um processo reversível, irreversível, ou não há informação suficiente para se determinar sua reversibilidade ou irreversibilidade? Por que?
Passo 1
Beleza, vamos entender o que a questão está pedindo. Temos 1 mol de um gás ideal monoatômico, que segue as leis $ P V = n R T $ e a energia interna $ E = \frac{3}{2} n R T $. Inicialmente, o gás está em equilíbrio com pressão de 1 atm e temperatura de 300 K. De repente, aplicamos uma pressão externa constante de 5 atm, comprimindo o gás até que ele atinja um novo equilíbrio com pressão de 5 atm e temperatura de 400 K. A pergunta é: esse processo é reversível, irreversível ou não temos informação suficiente para determinar? Para resolver isso, vamos precisar entender o que significa um processo ser reversível ou irreversível na termodinâmica.
Passo 2
Primeiro, vamos relembrar o que é um processo reversível. Na termodinâmica, um processo é considerado reversível se ele puder ser invertido sem deixar mudanças permanentes no sistema ou no ambiente. Isso geralmente significa que o processo acontece de forma extremamente lenta, permitindo que o sistema esteja sempre em equilíbrio termodinâmico.
Passo 3
Agora, vamos pensar no processo descrito na questão. A pressão externa de 5 atm é aplicada “repentinamente”. Isso já nos dá uma pista importante. Quando dizemos que algo acontece de repente, significa que não há tempo para o sistema se ajustar de forma contínua e estar sempre em equilíbrio durante todo o processo.
Passo 4
Em processos irreversíveis, como uma compressão rápida, há diferenças de pressão dentro do sistema durante a mudança, o que gera dissipação de energia, por exemplo, na forma de calor devido ao atrito interno ou outros fatores. Além disso, após o processo, o sistema e o ambiente não conseguem retornar exatamente ao estado original sem alterações permanentes.
Passo 5
Voltando ao nosso caso, já que a pressão foi aplicada de forma repentina, a compressão não ocorreu de maneira lenta e contínua que manteria o sistema em equilíbrio. Isso indica que o processo envolveu dissipação de energia e que não podemos simplesmente reverter o processo sem alterar o ambiente ou o sistema de forma permanente.
Resposta
Portanto, o processo descrito é irreversível porque a compressão foi feita de maneira súbita, impedindo que o sistema permanecesse em equilíbrio durante todo o processo e gerando dissipação de energia.