Qual a relação entre pressão e volume em uma transformação isotérmica?

Transformação isotérmica é aquela na qual as variáveis de estado são o volume e a pressão. Enquanto a temperatura é mantida constante. Ou seja, ela acontece em um gás que sofre uma compressão ou expansão à temperatura constante. Por isso, veja o que é, exemplos e o que acontece em uma transformação isotérmica.

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O que é a transformação isotérmica

Transformação isotérmica é aquela na qual um sistema fechado varia seu volume e pressão, sem variar a temperatura. Dessa forma, o sistema permite troca de energia, porém, não de matéria. Essa transformação acontece, geralmente, quando o sistema está em um recipiente isotérmico. Por exemplo, um calorímetro.

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O processo isotérmico difere do processo adiabático, no qual não há trocas de calor com o meio. Ou seja, na mudança isotérmica, não há variação de temperatura. Porém, há trocas de calor. Enquanto isso, no processo adiabático, a temperatura se altera e o calor é constante. A seguir, veja alguns exemplos de mudanças isotérmicas:

Exemplos

• Seringa com a ponta fechada: caso uma seringa tenha sua ponta fechada e o êmbolo pressionado, o volume e a pressão sobre o gás aumentarão. Contudo, a temperatura será a mesma.
• Mudanças de fase: durante a mudança de estado físico, a temperatura de um corpo é constante. Porém, a pressão e seu volume se alterarão.

Os processos isotérmicos, assim como as outras transformações, estão presentes em máquinas térmicas. Por exemplo, na Máquina de Carnot. Dessa maneira, é importante entender o que acontece em uma transformação dessas.

O que acontece na transformação isotérmica

Em um processo isotérmico, a temperatura é mantida constante. Enquanto isso, o volume e a pressão devem variar. Essa relação é explicada pela Lei de Boyle-Mariotte. A lei diz que: “sob temperatura constante, o volume ocupado por determinada massa fixa de um gás é inversamente proporcional à sua pressão”. Dessa maneira, matematicamente:

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• P: pressão sobre o gás (Pa).
• V: volume (m3).
• k: constante.

Note que a pressão e o volume são inversamente proporcionais. Assim, conforme um aumenta, o outro deve diminuir. Além disso, é possível relacionar essas duas variáveis no diagrama de Clapeyron.

Diagrama

A curva que liga os dois pontos representa uma expansão isotérmica. Porque o volume aumenta. Além disso, a área sob a curva representa o trabalho realizado sobre o gás. Contudo, para calcular essa grandeza é necessário um conhecimento avançado.

Os processos isotérmicos são importantes no estudo da termodinâmica. Por isso, é necessário ampliar os conhecimentos sobre esse tema. Dessa maneira, selecionamos vídeos para você aprender ainda mais.

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Vídeos sobre transformação isotérmica

Conforme o tempo dos estudos passa, a pressão pode aumentar. Além disso, espera-se que o volume do conhecimento também aumente. Porém, para que essa transformação aconteça, é necessário se aprofundar nos conteúdos. Então, confira a seguir três vídeos sobre processos isotérmicos:

Experimento sobre transformação isotérmica

O professor Claudio Furukawa realiza um experimento sobre processos isotérmicos. Para isso, ele usa alguns equipamentos encontrados em laboratório. Porém, esse experimento ilustra bem como ocorre um processo termodinâmico à temperatura constante.

Transformações gasosas

O canal Pura Física explica como acontece uma transformação gasosa com temperatura constante. Por isso, durante o vídeo, é explicado como acontece uma compressão e uma expansão isotérmica.

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Equação geral dos gases

De que maneira as transformações gasosas se relacionam com a equação geral dos gases? Essa equação também é conhecida como Equação Clapeyron. Dessa maneira, o professor Marcelo Boaro explica como é possível relacionar esses dois conceitos físicos. Ao fim do vídeo, Boaro resolve um exercício de aplicação.

As transformações gasosas foram importantes para a História da Ciência. Isso aconteceu porque, com o seu entendimento, foi possível desenvolver as máquinas térmicas. Isso culminou na Revolução Industrial. Além disso, um processo termodinâmico que é confundido com os isotérmicos é a transformação adiabática.

Referências

YOUNG, H. D. et al. Física II: Termodinâmica e ondas. São Paulo: Addison & Wesley. 2016
HALLIDAY, D. et al. Física: Volume 2. Rio de Janeiro: Pearson. 2008
NUSSENZVEIG, H. D. Curso de Física Básica: Volume 2. Rio de Janeiro: Blucher. 2014

Por Hugo Shigueo Tanaka

Divulgador Científico e co-fundador do canal do YouTube Ciência em Si. Historiador da Ciência. Professor de Física e Matemática. Licenciado em Física pela Universidade Estadual de Maringá (UEM). Mestre em Ensino de Ciências e Matemática (PCM-UEM). Doutorando em Ensino de Ciências e Matemática (PCM-UEM).

1. [PUC]

Qual o volume ocupado, a 2 atm de pressão, por certa massa de gás ideal que sofre transformações isotérmicas conforme o gráfico?

a) 42 cm3

b) 14 cm3

c) 21 cm3

d) 126 cm3

e) impossível calcular, pois faltam dados.

Alternativa correta: d

A partir da Lei de Boyle-Mariotte:

P1V1 = P2V2

Substituímos os valores encontrados no gráfico e:

2V1 = 6*42

V1 = 126 cm3

2. [Fund. Oswaldo Cruz]

O volume ocupado por certa massa de um gás é:

I. Inversamente proporcional à pressão exercida, mantendo-se constante a temperatura, ou seja, PV = P’V’.

II. Inversamente proporcional à temperatura absoluta, mantendo-se constante a pressão.

III. Inversamente proporcional à temperatura absoluta, mantendo-se constante o volume.

Qual está correto?

a) II, somente

b) I, somente

c) III, somente

d) II e III, somente

e) I, II e III

Alternativa correta: B

A transformação isotérmica acontece com variáveis que são inversamente proporcionais. Dessa forma, quando a pressão e volume são constantes, todas as outras variáveis são inversamente proporcionais.