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

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

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

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!

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.

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.

No exemplo da figura, foi considerado que as temperaturas e pressões em cada ponto do sistema são idênticas. Logo, suas médias não variam com a expansão. Isso ilustra a independência entre propriedades intensivas e o volume do sistema.

Agora vamos verificar o efeito da expansão sobre as propriedades extensivas, observando a variação dos valores da massa e do volume durante o processo.

Observamos pela imagem, que os valores de massa e volume sempre aumentam com o crescimento da fronteira. Ou seja, ao contrário das propriedades intensivas, as propriedades extensivas são proporcionais à extensão do sistema. Por isso elas têm esse nome!

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 e extensivas para diferenciá-las.
3. Por último, vamos verificar, se o efeito dessa expansão sobre o peso é igual ao efeito sobre as propriedades extensivas ou intensivas.

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

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. A figura acima ilustra a independência entre propriedades extensivas e o volume do sistema.

Observamos pela imagem, que os valores de massa e volume sempre aumentam com o crescimento da fronteira. Ou seja, ao contrário das propriedades intensivas, as propriedades extensivas são proporcionais à extensão do sistema.

Agora vamos verificar o efeito da expansão sobre o peso do sistema.

Como o peso é proporcional à massa, ele também é proporcional à extensão do sistema. Logo, ele é uma propriedade extensiva.

Podemos dividir a solução dessa questão em duas partes:

1. Resposta do que é um processo de quase equilíbrio.
2. Discussão sobre a importância desse processo para a engenharia.

Um processo de quase-equilíbrio é formado por uma sequência de estados de equilíbrio.

E o que são estados de equilíbrio?

O equilíbrio é atingido, quando as propriedades do sistema não mudam, caso ele seja isolado da sua vizinhança.

Imagine, então, um sistema formado por pontos com temperaturas diferentes entre si. Se o sistema for isolado do seu meio nessas condições, as temperaturas dos pontos vão variar até se igualarem. Nessa situação final, falamos que o sistema está em equilíbrio térmico.

Agora pense em um sistema constituído de pontos com pressões diferentes entre si. Se o sistema for isolado do seu meio nessas condições, as pressões dos pontos vão variar até se igualarem (isso ocorre, quando desprezamos os efeitos da gravidade sobre o sistema). Nessa situação final, dizemos que o sistema está em equilíbrio mecânico.

Afirmamos que o sistema está em equilíbrio termodinâmico, quando todos seus potenciais de transformação interna espontânea é esgotado. Ou seja, quando ele atinge seu equilíbrio químico (o sistema não reage espontaneamente), seu equilíbrio de fase (o sistema não muda de fase espontaneamente) e seus equilíbrios mecânico e térmico (sua pressão e temperatura não variam espontaneamente).

Nesse instante, os valores de suas propriedades intensivas (temperatura, pressão, massa específica, entre outras) são uniformes por todo o sistema.

Logo, em um estado de equilíbrio, com apenas um valor da propriedade intensiva, sabemos o valor dessa propriedade em todos os pontos do sistema. Um processo de quase-equilíbrio é uma aproximação composta apenas de estados nessa condição.

A importância dessa simplificação para a engenharia é facilitar o estudo dos processos termodinâmicos. A cada instante desse processo, com apenas um valor de pressão, temperatura e massa específica, sabemos o valor dessas propriedades intensivas para todos os pontos do sistema.

O exercício pede que verifiquemos se cada uma das variáveis apresentadas é uma propriedade termodinâmica. Depois, pede que classifiquemos cada uma das propriedades termodinâmicas em dois grupos: extensivas e intensivas. Para cumpir esses dois objetivos, colocaremos em prática um passo a passo.

1. Para saber se a variável é uma propriedade termodinâmica, faremos duas perguntas em sequência:



Passo 2

2. Para saber se a propriedade termodinâmica avaliada pela primeira etapa é uma propriedade extensiva ou intensiva, faremos o seguinte teste.

1. Vamos imaginar um sistema em equilíbrio, sendo dividido em duas partes iguais.
2. Aí então perguntaremos: o valor da propriedade para o sistema inteiro é igual à soma entre os valores de cada parte? Se sim, a propriedade é extensiva. Caso contrário, ela é intensiva.

A termodinâmica é a ciência que faz a conexão entre as interações de trabalho, calor e fluxo de massa atravessando a fronteira e as transformações internas do sistema. Essas transformações são medidas por variações nos valores de suas propriedades termodinâmicas.

Então, o primeiro teste pelo qual a variável deve passar é saber se ela é relevante na descrição dessas mudanças de estados termodinâmicos.

As variáveis de velocidade, de aceleração, de tempo e de força são utilizadas comumente para descrever o movimento de um objeto. Ou seja, são variáveis da dinâmica dos corpos, não da termodinâmica. Todas pertencem ao terceiro grupo do enunciado.

Cada uma das variáveis de pressão , de temperatura são essenciais pra termodinâmica, porque estão conectadas com um tipo de equilíbrio. A igualdade de temperatura em todos os pontos do sistema indica equilíbrio térmico.

A igualdade de pressão em todos os pontos do sistema indica equilíbrio mecânico, quando desprezamos os efeitos da gravidade sobre o sistema.

As variáveis de volume e de massa também são relevantes para a termodinâmica, porque medem o tamanho do meu sistema. Isso é fundamental, porque sabemos que para esquentar ou de água precisamos de menos energia do que se tentarmos esquentar ou dela.

Ou seja, a quantidade de substância influencia na quantidade de energia que precisamos transferir através da fronteira pra provocar uma mudança no sistema.

Como a massa específica é calculada como a razão entre massa e volume de um objeto, ela também é básica às análises termodinâmicas.

Qual a importância do passado do sistema na medição dos valores de , , , , do sistema no presente? Nenhuma!

Não conhecer a trajetória que o sistema fez antes de chegar no estado do sistema que estamos estudando, não nos impede de medir esses valores no presente.

Por isso, todas essas variáveis são propriedades termodinâmicas do sistema.

Agora resta saber se essas propriedades são intensivas ou extensivas. Para isso, aplicamos o teste do sistema em equilíbrio dividido em duas partes iguais.

Se o sistema está em equilíbrio, todos os pontos do sistema têm o mesmo valor de pressão e temperatura.

Ou seja, o valor de pressão e temperatura para o sistema total é o mesmo valor de pressão e temperatura de cada parte. O total não é a soma das partes. Logo, pressão e temperatura são propriedades intensivas.

Fazendo o mesmo teste para o volume e para a massa, verificamos que o valor de massa e volume do sistema total é a soma do valor de massa e volume das partes. Por isso, massa e volume são propriedades extensivas.

Já para a massa específica, temos o seguinte procedimento:

onde é a massa total do sistema e é o volume total do sistema.

Ou seja, o valor da massa específica do sistema total não é a soma do valor de massa e volume das partes. Por isso, ela é uma propriedade intensiva.

O enunciado imagina um processo que só ocorre por causa do desequilíbrio inicial entre o sistema e sua vizinhança. Ele quer saber, como podemos usar a estratégia de considerar esse processo, como sendo um processo de quase-equilíbrio, se ele só está ocorrendo unicamente por causa da falta de equilíbrio.

A gente vai escapar desse beco sem saída, explicando o motivo do processo de quase-equilíbrio ter esse nome.

O estado de quase-equilíbrio não é formado por estados com o sistema perfeitamente equilibrado com sua vizinhança. Ele é um processo formado por estados, que consideram um desequilíbrio muito pequeno entre o sistema e o ambiente ao seu redor.

onde é o desequilíbrio entre o sistema e sua vizinhança.

A idéia por trás dessa aproximação é a mesma que usamos, quando calculamos o limite de uma função. Imaginamos que o desequilíbrio se aproxima o quanto quisermos de zero.

Dizendo isso de outra forma, esse desequilíbrio pode ser tão pequeno, que se torna desprezível. No fim, apenas o seu efeito de mover o pistão permanece.

Então como podemos aplicar essa aproximação e simplificar o problema de remoção de pesos? Podemos imaginar que, ao invés de removermos todos os pesos de uma ve só, estamos removendo um peso muito pequeno de cada vez.

Desse jeito, a cada peso removido, o sistema teria tempo de se equilibrar internamente de forma que todas as suas propriedades intensivas voltem a ter valores uniformes por todo o sistema. Ou seja, todos os estados seriam estados de equilíbrio.

Resumindo, o processo formado por uma sucessão de estados de equilíbrio é chamado de processo de QUASE-equilíbrio, porque, em cada um de seus estados, existe um desequilíbrio muito pequeno. Ou seja, são estados que quase estão em equilíbrio.

O enunciado quer saber, se o ar e o combustível que entram no cilindro no início de seu funcionamento completam um ciclo termodinâmico ao fim do ciclo mecânico do motor. Para poder responder precisamos separar o entendimento em duas etapas.

1. Saber o que é um ciclo termodinâmico.
2. Entender por quais processos o ar e o combustível passam durante os quatro tempos do motor e comparar isso ao conceito de ciclo termodinâmico.

Quando um sistema, num estado incial, passa por alguns processos, mas, ao final deles, retorna ao seu estado incial, falamos que o sistema realizou um ciclo.

Agora nossa pergunta passou a ser: a mistura de ar e combustível retorna ao seu estado incial, de quando entrou no cilindro, ao término dos quatro processos?

Como a mistura reage no processo de explosão, ela passa a ser composta por outros gases. Logo, o seu estado final é diferente do seu estado inicial. Por isso dizemos que a mistura não percorre um ciclo termodinâmico durante o funcionamento do motor.

O enunciado quer saber como o volume e a pressão variam ao longo do processo de remoção de pesos e como essa sequência de estados do sistema seriam representados graficamente.

Para imaginar esse gráfico passamos por três etapas:

1. Saber como representar o estado de um processo de quase-equilíbrio no gráfico.
2. Saber se a pressão e o volume aumentaram ou diminuíram ao fim do processo.
3. Ter uma equação relacionando os valores de pressão com os valores de volume durante a remoção de pesos.

Como todos os estados de um processo de quase-equilíbrio estão em equilíbrio, a pressão do sistema nesses estados é uniforme. Ou seja, com um único valor de pressão sabemos o valor da pressão em todos os pontos do sistema. Logo, um estado do sistema é representado por um único ponto no gráfico de pressão e volume, porque ele só possui um valor de pressão.

A figura acima representa o estado A com pressão e volume .

Como o processo remove pequenos pesos aos poucos, os pesos que restaram sobre o êmbolo fazem menos força, que a pressão exercida pelo gás sobre o pistão. Por isso, o êmbolo sobe até reequilibrar as pressões externa e interna e o volume ao final do processo é maior que o volume inicial. Dessa foma, a pressão interna diminui ao longo processo.

Se um processo é um conjunto de estados e cada estado é representado por um ponto, então um processo é representado por um conjunto de pontos. Esse conjunto de pontos forma uma curva no gráfico.

A forma exata dessa curva só pode ser determinada com uma equação da pressão em função do volume do sistema.