Estado termodinâmico


Certo número de elementos é necessário para compor um sistema termodinâmico. Esses elementos são em essência partículas microscópicas. As propriedades termodinâmicas de uma dada porção de gazes são caracterizadas pelas variáveis de pressão, volume, temperatura e número de mols, ou massa. As ligações entre tais variáveis são apontadas pela Lei dos Gases Ideais.

Para se chegar a um estado termodinâmico (ou estado do sistema) é necessário obter o conjunto de valores das propriedades termodinâmicas. Quando se indica a temperatura, o volume, o número de moléculas ou mols, tem-se o estado termodinâmico, por exemplo, de uma porção de gás.

No estado de equilíbrio termodinâmico existem regiões homogêneas do espaço, que são chamadas de fase. As regiões se tornam homogêneas muito rapidamente quando estão em fases líquidas, porque elas se difundem entre si. Já as fases sólidas, mesmo difundindo-se entre si, possuem um processo muito mais lento. A mobilidade dos átomos da maior parte dos sólidos é bastante baixa. Sendo assim, a maioria dos sólidos de uso comum não está dentro do equilíbrio termodinâmico, se limitando, em alguns casos, a estarem quase no equilíbrio.

termodinâmico

Fase e estado

Existem duas maneiras de utilizar a palavra “estado” dentro dessa disciplina. Por isso, muitas vezes o uso errado é aplicado, confundindo os estudantes. Quando uma pessoa utiliza o termo para se referir à matéria, como em “estado líquido” e “estado sólido”, ela está falando sobre o estado de agregação da matéria. É diferente de quando usam o termo em “estado termodinâmico”.
Os estados de agregação que formam um sistema fixo são completamente determinados pelo estado termodinâmico, porque isso é inerente à própria definição do termo. É necessário estar atento na hora de aplicar o termo, porque um sistema pode ter em si fases diferentes. Ele pode unir estados líquidos e sólidos. Ou seja, pode haver mais de um estado de agregação em um sistema. As misturas polifásicas ou os compostos que formam um sistema são chamados de componentes. Para se chegar a tais componentes é preciso avaliar as características de cada elemento.

O mesmo cuidado é necessário em relação ao termo fase. É preciso entender bem sua definição para não aplicar de maneira errada. Se um dado sistema tem sua pressão ou temperatura alterada, é possível que as composições das fases também mudem. Quando se muda a composição de todo o sistema, de igual maneira pode haver variação nas fases.

É importante o estudo sobre o equilíbrio das fases, pois a constituição delas está diretamente ligada às propriedades do sistema. Faz-se necessário o uso de diagramas de fases. Eles facilitam o estudo por resumirem de maneira clara e objetiva as relações entre elas. Entre as vantagens da utilização de diagramas estão:

* Uma quantia de informações precisas e essenciais sobre as variadas condições das fases quando estão em processo de mudança, podem ser registradas concisamente em um espaço pequeno. Essas informações serão agrupadas e organizadas, o que ajudará na compreensão.

* É difícil obter observações experimentais essenciais na determinação de relações entre fases em quase todos os sistemas de ligas metálicas. Isso se deve a algumas regras de construção.

* São extremamente úteis no controle do processamento dos materiais, porque reconhecem as relações entre constituição das ligas, as propriedades e sua microestrutura, ainda que essa relação não seja formal.

* Através do diagrama é possível determinar as fases, composições e quantidades relativas da liga sob equilíbrio. Isso é permitido pela composição da liga e a temperatura que ela mantém.

A temperatura, pressão e composição das fases mudarão as suas propriedades e isso fará com que surjam novas fases e desapareçam antigas. Com isso, é necessário saber quando é o caso de surgimento de uma nova, bem como quantas variações uma antiga suporta sem se transformar completamente.

Uma fase existirá independentemente das variações de sua composição. As mudanças são entendidas como uma extensão do conjunto antigo e não como um novo. Isso acontece porque as propriedades físicas da fase são pouco alteradas e suas estruturas cristalinas ainda são semelhantes. Então, uma fase poderá abranger toda uma faixa de composições diferentes.

A nova fase só acontecerá se as variações das propriedades acontecerem abruptamente, de maneira descontinuada. Nesse caso a antiga fase teve um fim, pois as mudanças não se deram de maneira contínua e gradual.

Função do estado

Um sistema termodinâmico será definido por duas ou mais variáveis de estado. Essas variáveis termodinâmicas são grandezas físicas que são usadas para descrever a função do estado de um sistema termodinâmico.

Abaixo estão listadas algumas variáveis do estado. Elas são comuns a qualquer sistema termodinâmico massivo:

* Massa (m)
* Quantidade de matéria (n)
* Pressão (P)
* Temperatura (T)
* Volume (V)
* Energia interna (U)
* Entropia (S)
* Entalpia (H)
* Energia livre de Helmholtz (A)
* Energia livre de Gibbs (G)

O conjunto específico dos valores de todas as variáveis de um estado irá defini-lo. O sistema estará em equilíbrio termodinâmico quando o estado assumir o sistema.