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Potenciais termodinâmicos
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Os potenciais termodinâmicos chave incluem:
• Energia Interna: a energia necessária para formar um sistema termodinâmico, isolada de qualquer ambiente externo.
• Entalpia: a energia necessária para formar um sistema e colocá-lo dentro de um ambiente. A entalpia é essencialmente a soma da energia interna e o trabalho necessário para integrar o sistema ao seu entorno.
• Energia Livre de Helmholtz: a parcela da energia interna de um sistema que está disponível para realizar trabalho em temperatura constante.
• Energia Livre de Gibbs: a parte da entalpia de um sistema que pode ser utilizada para realizar trabalho em condições de temperatura e pressão constantes.
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Mecanismos
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Os potenciais termodinâmicos são quantidades que fornecem informações abrangentes sobre o estado energético de um sistema termodinâmico sob condições específicas. Eles são utilizados para prever a direção dos processos espontâneos, determinar estados de equilíbrio e calcular o trabalho máximo que pode ser extraído de um sistema.
A Energia Interna é a energia total contida dentro de um sistema, abrangendo tanto as energias cinética quanto potencial em nível molecular. Ela leva em conta a energia necessária para criar o sistema. A energia interna muda quando o calor é adicionado ou removido do sistema e quando o trabalho é realizado sobre ou pelo sistema.
A Entalpia é útil em processos que ocorrem a pressão constante. Ela representa o conteúdo total de calor de um sistema e é usada para calcular a troca de calor durante reações químicas e transições de fase a pressão constante.
A Energia Livre de Helmholtz é usada para sistemas a temperatura e volume constantes. Ela mede a quantidade máxima de trabalho que pode ser extraída de um sistema, excluindo o trabalho de pressão-volume, e indica a espontaneidade dos processos a temperatura e volume constantes.
A Energia Livre de Gibbs é usada para sistemas a temperatura e pressão constantes. Ela representa o trabalho reversível máximo que pode ser realizado pelo sistema, excluindo o trabalho realizado por mudanças de pressão-volume. A energia livre de Gibbs é crucial para prever a direção das reações químicas e as transições de fase a temperatura e pressão constantes. Uma mudança negativa na energia livre de Gibbs indica um processo espontâneo.
O Grande Potencial é usado em sistemas abertos onde o número de partículas pode mudar. Ele é útil para analisar sistemas em contato com um reservatório que pode trocar tanto energia quanto partículas.
Mecanismos
ID:(15266, 0)
Energia interna
Conceito
Se la temperatura absoluta ($T$) e la pressão ($p$) forem mantidos constantes, la variação da energia interna ($dU$), que depende de la variação de entropia ($dS$) e la variação de volume ($dV$), é expresso como:
| $ dU = T dS - p dV $ |
Integrando isso, resulta na seguinte expressão em termos de la energia interna ($U$), la entropia ($S$) e o volume ($V$):
| $ U = T S - p V $ |
[1] "Über die quantitative und qualitative Bestimmung der Kräfte" (Sobre a Determinação Quantitativa e Qualitativa das Forças), Julius Robert von Mayer, Annalen der Chemie und Pharmacie, 1842
[2] "Über die Erhaltung der Kraft" (Sobre a Conservação da Força), Hermann von Helmholtz, 1847
ID:(214, 0)
Entalpia
Conceito
La entalpia ($H$) refere-se à energia contida em um sistema, incluindo qualquer energia necessária para criá-lo. Ela é composta, portanto, por la energia interna ($U$) e pelo trabalho necessário para formar o sistema, que é representado como $pV$, onde la pressão ($p$) e o volume ($V$) estão envolvidos.
Esta função depende de la entropia ($S$) e la pressão ($p$), permitindo que seja expressa como $H = H(S,p)$, e segue a seguinte relação matemática:
| $ H = U + p V $ |
Um artigo que pode ser considerado como o ponto de partida do conceito, embora não inclua a definição do nome, é:
[1] "Memoir on the Motive Power of Heat, Especially as Regards Steam, and on the Mechanical Equivalent of Heat" (Memória sobre o poder motriz do calor, especialmente no que se refere ao vapor, e sobre o equivalente mecânico do calor), escrito por Benoît Paul Émile Clapeyron (1834).
ID:(215, 0)
Energia livre de Helmholtz
Conceito
La energia livre de Helmholtz ($F$) [1] refere-se à energia contida em um sistema, mas exclui a energia que não pode ser usada para realizar trabalho. Nesse sentido, representa a energia disponível para realizar trabalho desde que não inclua a energia necessária para formar o sistema. É composta, portanto, por la energia interna ($U$), da qual é subtraída a energia térmica $ST$, onde la entropia ($S$) e la temperatura absoluta ($T$) estão envolvidos.
Essa função depende de la temperatura absoluta ($T$) e o volume ($V$), o que permite que ela seja expressa como $F = F(V,T)$, e ela satisfaz a seguinte relação matemática:
| $ F = U - T S $ |
[1] "Über die Thermodynamik chemischer Vorgänge" (Sobre a termodinâmica dos processos químicos.), Hermann von Helmholtz, Fritter Beitrag. Separata de: ibid., 31 de maio (1883)
ID:(216, 0)
Energia livre de Gibbs
Conceito
La energia livre de Gibbs ($G$) refere-se à energia contida dentro de um sistema, incluindo a energia necessária para a sua formação, mas exclui a energia que não pode ser utilizada para realizar trabalho. Nesse sentido, representa a energia disponível para realizar trabalho em um processo que inclui a energia necessária para a sua formação. É composta, portanto, por la entalpia ($H$), da qual é subtraída a energia térmica $ST$, onde la entropia ($S$) e la temperatura absoluta ($T$) estão envolvidos.
Essa função depende de la temperatura absoluta ($T$) e la pressão ($p$), permitindo que seja expressa como $G = G(T,p)$, e ela satisfaz a seguinte relação matemática:
| $ G = H - T S $ |
[1] "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances" (Sobre o Equilíbrio de Substâncias Heterogêneas), J. Willard Gibbs, Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences. 3: 108-248. (Outubro de 1875 Maio de 1876)
[2] "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances" (Sobre o Equilíbrio de Substâncias Heterogêneas), J. Willard Gibbs, Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences. 3: 343-524. (Maio de 1877 Julho de 1878)
ID:(217, 0)
Exemplo de aplicação do método
Descrição
Se considerarmos a energia interna $U(V, S)$, ela depende de duas variáveis:
• O volume $V$
• A entropia $S$
Portanto, sua variação pode ser expressa usando a relação:
| $ df = \left(\displaystyle\frac{\partial f }{\partial x }\right)_ y dx + \left(\displaystyle\frac{\partial f }{\partial y }\right)_ x dy $ |
na forma:
$dU = \left(\displaystyle\frac{\partial U }{\partial V }\right)_ S dV + \left(\displaystyle\frac{\partial U }{\partial S }\right)_ V dS$
De acordo com a primeira lei da termodinâmica, sabemos que a variação da energia interna $dU$ é igual a:
Dessa forma, podemos concluir que as inclinações são a pressão $p$:
$\left(\displaystyle\frac{\partial U }{\partial V }\right)_ S = -p$
e a temperatura $T$:
$\left(\displaystyle\frac{\partial U }{\partial S }\right)_ V = T$
ID:(12389, 0)
Exemplo de Potencial Termodinâmico
Descrição
Para encontrar as relações, são introduzidos os chamados potenciais termodinâmicos, que são energias potenciais que incluem ou excluem certas formas de energia em um sistema, como a energia associada ao trabalho $pV$ e a energia associada à entropia $TS$, que não pode ser utilizada para realizar trabalho.
No caso da entalpia $H$, ela corresponde à energia interna do sistema, que inclui o movimento das partículas, mas também incorpora a energia necessária para formar o sistema, ou seja, o trabalho $pV$ realizado para estabelecê-lo. Portanto, ela é definida como:
ID:(12390, 0)
Modelo
Top
Parâmetros
Variáveis
Cálculos
para 
, depois, selecione a variável: 
para 
Cálculos
Cálculos
Variáve 
Dado Calcular 
Objetivo : Equação A ser usado 
Equações
$ F = U - T S $
F = U - T * S
$ G = H - T S $
G = H - T * S
$ H = U + p V $
H = U + p * V
$ U = T S - p V $
U = T * S - p * V
ID:(15325, 0)
Energia Interna
Equação
La energia interna ($U$) é com la temperatura absoluta ($T$), la pressão ($p$), la entropia ($S$) e o volume ($V$) igual a:
| $ U = T S - p V $ |
Se la temperatura absoluta ($T$) e la pressão ($p$) forem mantidos constantes, la variação da energia interna ($dU$), que depende de la variação de entropia ($dS$) e la variação de volume ($dV$), é expresso como:
| $ dU = T dS - p dV $ |
Integrando isso, resulta na seguinte expressão em termos de la energia interna ($U$), la entropia ($S$) e o volume ($V$):
| $ U = T S - p V $ |
ID:(3472, 0)
Entalpia
Equação
La entalpia ($H$) é definido como a soma de la energia interna ($U$) e a energia de formação. Esta última corresponde ao trabalho realizado na formação, que é igual a $pV$ com la pressão ($p$) e o volume ($V$). Portanto, temos:
| $ H = U + p V $ |
ID:(3536, 0)
Energia livre de Helmholtz
Equação
La energia livre de Helmholtz ($F$) é definido como a diferença entre la energia interna ($U$) e a energia que não pode ser utilizada para realizar trabalho. Esta última corresponde a $ST$ com la entropia ($S$) e la temperatura absoluta ($T$). Portanto, obtemos:
| $ F = U - T S $ |
ID:(14047, 0)
Energia livre de Gibbs e Helmholtz
Equação
La energia livre de Gibbs ($G$) [1,2] representa a energia total, abrangendo tanto a energia interna quanto a energia de formação do sistema. Ela é definida como la entalpia ($H$), excluindo a porção que não pode ser utilizada para realizar trabalho, a qual é representada por $TS$ com la temperatura absoluta ($T$) e la entropia ($S$). Essa relação é expressa da seguinte forma:
| $ G = H - T S $ |
ID:(3542, 0)