25- Uma panela de pressão contém água que é aquecida até entrar em ebulição. Durante o processo, o sistema recebe 2000 J de calor e o vapor gerado realiza 300 J de trabalho ao empurrar a válvula de segurança. Qual a variação da energia interna da água/vapor?
Passo 1
O enunciado pede a variação da energia interna da água/vapor. As informações dadas são:
- A quantidade de calor recebida pelo sistema é
(o enunciado diz que o sistema recebe calor). - O trabalho realizado pelo vapor ao empurrar a válvula de segurança é
(o enunciado diz que o vapor realiza esse trabalho).
A pergunta é: qual é, a variação da energia interna do sistema água/vapor?
Passo 2
Vamos usar a primeira lei da termodinâmica (conservação da energia para um sistema fechado), que relaciona variação da energia interna, calor e trabalho. A forma mais comum dessa lei é:
Explicando cada termo:
-
é a variação da energia interna do sistema (o que queremos calcular). -
é o calor trocado com o sistema; por convenção aqui quando o sistema recebe calor e quando perde calor. -
é o trabalho realizado pelo sistema sobre o ambiente; por convenção aqui quando o sistema realiza trabalho (energia sai do sistema como trabalho) e quando trabalho é realizado sobre o sistema.
No enunciado temos explicitamente que o sistema recebe calor () e que o vapor realiza trabalho ao empurrar a válvula ( ), então esta convenção é adequada.
Passo 3
Agora substituímos os valores dados na fórmula. Identificamos:
Aplicando a primeira lei:
Passo 4
Efetuando a subtração:
Interpretação física breve e motivadora: isso significa que, ao final do processo descrito, a energia interna do conjunto água/vapor aumentou em
. Parte da energia fornecida como calor (
) foi gasta realizando o trabalho de
ao empurrar a válvula; o restante ficou armazenado na forma de energia interna (aquecimento e/ou mudança de fase).
Passo 5
Observação útil para a prova: sempre verifique a convenção de sinais. Se em algum exercício o enunciado usar a convenção em que
é o trabalho recebido pelo sistema (trabalho sobre o sistema), então a primeira lei ficaria
. Aqui não há dúvida porque foi dito que o vapor “realiza” o trabalho, ou seja, trabalho do sistema sobre o ambiente.