Estado termodinâmico - Thermodynamic state

Em termodinâmica , um estado termodinâmico de um sistema é sua condição em um momento específico; isto é, totalmente identificado por valores de um conjunto adequado de parâmetros conhecidos como variáveis ​​de estado, parâmetros de estado ou variáveis ​​termodinâmicas. Uma vez que tal conjunto de valores de variáveis ​​termodinâmicas tenha sido especificado para um sistema, os valores de todas as propriedades termodinâmicas do sistema são exclusivamente determinados. Normalmente, por padrão, um estado termodinâmico é considerado um estado de equilíbrio termodinâmico . Isso significa que o estado não é meramente a condição do sistema em um momento específico, mas que a condição é a mesma, imutável, por um período de tempo indefinidamente longo.

A termodinâmica estabelece uma estrutura conceitual idealizada que pode ser resumida por um esquema formal de definições e postulados. Os estados termodinâmicos estão entre os objetos ou noções fundamentais ou primitivos do esquema, para os quais sua existência é primária e definitiva, em vez de ser derivada ou construída a partir de outros conceitos.

Um sistema termodinâmico não é simplesmente um sistema físico . Em vez disso, em geral, um número infinito de sistemas físicos alternativos diferentes compreende um determinado sistema termodinâmico, porque, em geral, um sistema físico tem muito mais características microscópicas do que as mencionadas em uma descrição termodinâmica. Um sistema termodinâmico é um objeto macroscópico, cujos detalhes microscópicos não são explicitamente considerados em sua descrição termodinâmica. O número de variáveis ​​de estado necessárias para especificar o estado termodinâmico depende do sistema e nem sempre é conhecido antes do experimento; geralmente é encontrado a partir de evidências experimentais. O número é sempre dois ou mais; geralmente não é mais do que algumas dezenas. Embora o número de variáveis ​​de estado seja fixado por experimento, resta a escolha de qual delas usar para uma descrição conveniente específica; um dado sistema termodinâmico pode ser alternativamente identificado por várias escolhas diferentes do conjunto de variáveis ​​de estado. A escolha é geralmente feita com base nas paredes e arredores que são relevantes para os processos termodinâmicos que devem ser considerados para o sistema. Por exemplo, se pretende-se considerar a transferência de calor para o sistema, então uma parede do sistema deve ser permeável ao calor, e essa parede deve conectar o sistema a um corpo, nos arredores, que tem uma temperatura invariante no tempo definida .

Para a termodinâmica de equilíbrio, no estado termodinâmico de um sistema, seu conteúdo está em equilíbrio termodinâmico interno, com fluxos nulos de todas as quantidades, tanto internas quanto entre o sistema e o ambiente. Para Planck, a principal característica de um estado termodinâmico de um sistema que consiste em uma única fase , na ausência de um campo de força imposto externamente, é a homogeneidade espacial. Para a termodinâmica de não equilíbrio , um conjunto adequado de variáveis ​​de estado de identificação inclui algumas variáveis ​​macroscópicas, por exemplo, um gradiente espacial de temperatura diferente de zero, que indica saída do equilíbrio termodinâmico. Tais variáveis ​​de estado de identificação de desequilíbrio indicam que algum fluxo diferente de zero pode estar ocorrendo dentro do sistema ou entre o sistema e arredores.

Variáveis ​​de estado e funções de estado

Um sistema termodinâmico pode ser identificado ou descrito de várias maneiras. Mais diretamente, ele pode ser identificado por um conjunto adequado de variáveis ​​de estado. Menos diretamente, pode ser descrito por um conjunto adequado de quantidades que inclui variáveis ​​de estado e funções de estado.

A identificação primária ou original do estado termodinâmico de um corpo material é feita por quantidades físicas ordinárias diretamente mensuráveis. Para alguns propósitos simples, para um dado corpo de dada constituição química, um conjunto suficiente de tais quantidades é 'volume e pressão'.

Além das variáveis ​​físicas ordinárias diretamente mensuráveis ​​que identificam originalmente um estado termodinâmico de um sistema, o sistema é caracterizado por outras quantidades chamadas funções de estado , que também são chamadas de variáveis ​​de estado, variáveis ​​termodinâmicas, quantidades de estado ou funções de estado. Eles são determinados exclusivamente pelo estado termodinâmico, conforme identificado pelas variáveis ​​de estado originais. Existem muitas dessas funções de estado. Exemplos são a energia interna , entalpia , energia livre de Helmholtz , energia livre de Gibbs , temperatura termodinâmica , e entropia . Para um determinado corpo, de uma dada constituição química, quando seu estado termodinâmico foi totalmente definido por sua pressão e volume, sua temperatura é determinada de forma única. A temperatura termodinâmica é um conceito especificamente termodinâmico, enquanto as variáveis ​​de estado mensuráveis ​​diretamente originais são definidas por medições físicas comuns, sem referência a conceitos termodinâmicos; por esse motivo, é útil considerar a temperatura termodinâmica como uma função de estado.

Uma passagem de um dado estado termodinâmico inicial para um dado estado termodinâmico final de um sistema termodinâmico é conhecida como um processo termodinâmico; geralmente é a transferência de matéria ou energia entre o sistema e o ambiente. Em qualquer processo termodinâmico, quaisquer que sejam as condições intermediárias durante a passagem, a variação total respectiva no valor de cada variável de estado termodinâmico depende apenas dos estados inicial e final. Para um processo idealizado contínuo ou quase estático, isso significa que mudanças incrementais infinitesimais em tais variáveis ​​são diferenciais exatos . Juntas, as mudanças incrementais ao longo do processo e os estados inicial e final determinam totalmente o processo idealizado.

No exemplo simples mais comumente citado, um gás ideal , as variáveis ​​termodinâmicas seriam quaisquer três variáveis ​​dentre as quatro seguintes: quantidade de substância , pressão , temperatura e volume . Assim, o estado termodinâmico variaria em um espaço de estado tridimensional. A variável remanescente, assim como outras grandezas como a energia interna e a entropia , seriam expressas como funções de estado dessas três variáveis. As funções de estado satisfazem certas restrições universais, expressas nas leis da termodinâmica , e dependem das peculiaridades dos materiais que compõem o sistema de concreto.

Vários diagramas termodinâmicos foram desenvolvidos para modelar as transições entre os estados termodinâmicos.

Estado de equilibrio

Os sistemas físicos encontrados na natureza são praticamente sempre dinâmicos e complexos, mas em muitos casos, os sistemas físicos macroscópicos são passíveis de descrição com base na proximidade das condições ideais. Uma dessas condições ideais é a de um estado de equilíbrio estável. Tal estado é um objeto primitivo da termodinâmica clássica ou de equilíbrio, no qual é chamado de estado termodinâmico. Com base em muitas observações, a termodinâmica postula que todos os sistemas isolados do ambiente externo irão evoluir de modo a se aproximar de estados de equilíbrio estáveis ​​únicos. Existem vários tipos diferentes de equilíbrio, correspondendo a diferentes variáveis ​​físicas, e um sistema atinge o equilíbrio termodinâmico quando as condições de todos os tipos de equilíbrio relevantes são satisfeitas simultaneamente. Alguns tipos diferentes de equilíbrio estão listados abaixo.

  • Equilíbrio térmico : quando a temperatura em todo o sistema é uniforme, o sistema está em equilíbrio térmico.
  • Equilíbrio mecânico : se em todos os pontos de um determinado sistema não houver mudança na pressão com o tempo e não houver movimento do material, o sistema está em equilíbrio mecânico.
  • Equilíbrio de fases: ocorre quando a massa de cada fase individual atinge um valor que não muda com o tempo.
  • Equilíbrio químico : No equilíbrio químico, a composição química de um sistema se estabilizou e não muda com o tempo.

Referências

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Veja também