O que é entalpia e entropia – definição

Entalpia é a quantidade termodinâmica equivalente ao conteúdo total de calor de um sistema. Entropia é uma medida de desordem ou da energia em um sistema para fazer o trabalho. Engenharia Térmica

O que é entalpia

potenciais termodinâmicos - entalpia
Quatro potenciais termodinâmicos comuns. H = U + pV

Na termodinâmica, a entalpia é a medida de energia em um sistema termodinâmico. É a quantidade termodinâmica equivalente ao conteúdo total de calor de um sistema. A entalpia é definida como a soma da energia interna E mais o produto da pressão pe volume V. Em muitas análises termodinâmicas, a soma da energia interna U e o produto da pressão pe volume V aparece, portanto, é conveniente para dar à combinação um nome, entalpia e um símbolo distinto, H.

A entalpia é a expressão preferida das mudanças de energia do sistema em muitas medições químicas, biológicas e físicas a pressão constante . É tão útil que é tabulado nas tabelas de vapor, juntamente com o volume específico e a energia interna específica . Isso se deve ao fato de simplificar a descrição da transferência de energia . Em pressão constante, a mudança de entalpia é igual à energia transferida do ambiente através do aquecimento (Q = H 2 – H 1 ) ou outro trabalho que não o trabalho de expansão. Para um processo de pressão variável, a diferença na entalpia não é tão óbvia.

Entalpia em unidades extensivas

Propriedades termodinâmicas extensas vs. intensivas
Propriedades extensivas e intensivas do meio no pressurizador.

H = U + pV

A entalpia  é uma quantidade extensa, depende do tamanho do sistema ou da quantidade de substância que ele contém. A unidade SI de entalpia é o joule (J). É a energia contida no sistema, excluindo a energia cinética do movimento do sistema como um todo e a energia potencial do sistema como um todo devido a campos de força externos. É a quantidade termodinâmica equivalente ao conteúdo total de calor de um sistema.

Por outro lado, a energia pode ser armazenada nas ligações químicas entre os átomos que compõem as moléculas. Esse armazenamento de energia no nível atômico inclui energia associada a estados orbitais de elétrons, rotação nuclear e forças de ligação no núcleo.

A entalpia é representada pelo símbolo H , e a alteração na entalpia em um processo é 2 – H 1 .

Existem expressões em termos de variáveis ​​mais familiares, como temperatura e pressão :

dH = C p dT + V (1-aT) dp

Onde p é a capacidade calorífica a pressão constante e α é o coeficiente de expansão térmica (cúbico). Para o gás ideal αT = 1 e, portanto:

dH = C p dT

Exemplo: Pistão sem atrito – Calor – Entalpia

Entalpia - Exemplo - Um pistão sem atrito
Calcule a temperatura final, se 3000 kJ de calor forem adicionados.

Um pistão sem atrito é usado para proporcionar uma pressão constante de 500 kPa num cilindro contendo vapor ( vapor sobreaquecido ) de um volume de 2 m 3  a 500 K . Calcule a temperatura final, se 3000 kJ de calor forem adicionados.

Solução:

Usando tabelas de vapor , sabemos que a entalpia específica desse vapor (500 kPa; 500 K) é de cerca de 2912 kJ / kg . Como nessa condição o vapor possui densidade de 2,2 kg / m 3 , sabemos que há cerca de 4,4 kg de vapor no pistão na entalpia de 2912 kJ / kg x 4,4 kg = 12812 kJ .

Quando usamos simplesmente Q = H 2 – H 1 , a entalpia resultante do vapor será:

2 = H 1 + Q = 15812 kJ

Nas tabelas de vapor , esse vapor superaquecido (15812 / 4,4 = 3593 kJ / kg) terá uma temperatura de 828 K (555 ° C) . Uma vez que nesta entalpia do vapor tem a densidade de 1,31 kg / m 3 , é óbvio que se expandiu em cerca de 2,2 / 1,31 = 1,67 (+ 67%). Portanto, o volume resultante é de 2 m 3 x 1,67 = 3,34 m 3 e ∆V = 3,34 m 3 – 2 m 3 = 1,34 m 3 .

A parte p∆V da entalpia, ou seja, o trabalho realizado é:

W = p∆V = 500 000 Pa x 1,34 m 3 = 670 kJ

O que é entropia

Na termodinâmica e na física estatística, a entropia é uma medida quantitativa de desordem ou da energia em um sistema para realizar o trabalho.

Na física estatística, a entropia é uma medida do distúrbio de um sistema. A que desordem se refere é realmente o número de configurações microscópicas , W , que um sistema termodinâmico pode ter quando em um estado especificado por determinadas variáveis ​​macroscópicas ( volume , energia , pressão e temperatura ). Por “estados microscópicos”, queremos dizer os estados exatos de todas as moléculas que compõem o sistema.

Matematicamente, a definição exata é:

Entropia = (constante k de Boltzmann) x logaritmo do número de estados possíveis

S = k B logW

Essa equação, que relaciona os detalhes microscópicos, ou microestados, do sistema (via W ) ao seu estado macroscópico (via entropia S ), é a ideia principal da mecânica estatística. Em um sistema fechado, a entropia nunca diminui; portanto, no universo, a entropia está aumentando irreversivelmente. Em um sistema aberto (por exemplo, uma árvore em crescimento), a entropia pode diminuir e a ordem pode aumentar, mas apenas à custa de um aumento na entropia em outro lugar (por exemplo, no Sol).

Unidades de Entropia

O SI unidade de entropia é J / K . Segundo Clausius, a entropia foi definida através da mudança na entropia S de um sistema. A mudança na entropia S, quando uma quantidade de calor Q é adicionada a ela por um processo reversível a temperatura constante, é dada por:

Equação da entropia

Aqui Q é a energia transferida como calor para ou do sistema durante o processo, e T é a temperatura do sistema em Kelvins durante o processo. Se assumirmos um processo isotérmico reversível , a alteração total da entropia é dada por:

∆S = S 2 – S 1 = Q / T

Nesta equação, o quociente Q / T está relacionado ao aumento do distúrbio. Uma temperatura mais alta significa maior aleatoriedade de movimento. Em temperaturas mais baixas, a adição de calor Q causa um aumento fracionário substancial no movimento molecular e na aleatoriedade. Por outro lado, se a substância já estiver quente, a mesma quantidade de calor Q adiciona relativamente pouco ao maior movimento molecular.

Exemplo

Calcule a variação na entropia de 1 kg de gelo a 0 ° C, quando derretida reversivelmente em água a 0 ° C.

Por se tratar de um processo isotérmico, podemos usar:

∆S = S 2 – S 1 = Q / T

portanto, a alteração da entropia será:

∆S = 334 [kJ] / 273,15 [K] = 1,22 [kJ / K]

onde são necessários 334 quilojoules de calor para derreter 1 kg de gelo (calor latente de fusão = 334 kJ / kg) e esse calor é transferido para o sistema a 0 ° C (273,15 K).

Diagramas em Ts

Diagrama de Ts de um ciclo termodinâmico
Diagrama Ts do ciclo de Rankine

Em geral, as fases de uma substância e os relacionamentos entre suas propriedades são mais comumente mostrados nos diagramas de propriedades . Um grande número de propriedades diferentes foi definido e existem algumas dependências entre as propriedades.

Um diagrama de entropia de temperatura ( diagrama Ts ) é o tipo de diagrama mais frequentemente usado para analisar os ciclos do sistema de transferência de energia. É usado na termodinâmica para visualizar alterações de temperatura e entropia específica durante um processo ou ciclo termodinâmico.

Isso ocorre porque o trabalho realizado pelo ou no sistema e o calor adicionado ou removido do sistema podem ser visualizados no diagrama Ts . Pela definição de entropia, o calor transferido para ou de um sistema é igual à área sob a curva Ts do processo.

dQ = TdS

Um processo isentrópico é representado como uma linha vertical em um diagrama Ts, enquanto um processo isotérmico é uma linha horizontal. Em um estado idealizado, a compressão é uma bomba, a compressão em um compressor e a expansão em uma turbina são processos isentrópicos. Portanto, é muito útil em engenharia de energia, porque esses dispositivos são usados ​​em ciclos termodinâmicos de usinas de energia.

Observe que, as premissas isentrópicas são aplicáveis ​​apenas aos ciclos ideais. Ciclos termodinâmicos reais têm perdas de energia inerentes devido à ineficiência de compressores e turbinas.

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