Defina um sistema e simplifique os balanços de energia para um sistema aberto para cada um dos seguintes casos. Especifique, quando possível, se os termos de calor e trabalho no eixo diferentes de zero são positivos ou negativos. A solução da Parte (a) é dada como ilustração.
Uma reação química acontece em um reator contínuo que não contém partes móveis. As mudanças nas energias cinética e potencial entre a entrada e a saída do reator são desprezíveis.

Passo 1

Beleza, vamos recapitular: o exercício pede pra gente definir o sistema (controle de volume) de um reator contínuo onde rola uma reação química, sem partes móveis, e desprezar mudanças de energia cinética e potencial. O conteúdo é balanço de energia em sistema aberto (controle de volume) na termodinâmica. Pra resolver a gente vai usar a equação geral de balanço de energia para CV aberto e depois simplificar usando as hipóteses dadas.

Passo 2

Primeiro, desenha mentalmente o reator contínuo como um “volume de controle” com um tubo de entrada (stream in) e um de saída (stream out). A reação química acontece dentro desse CV. Como não tem partes móveis, não há trabalho de eixo (shaft work), mas tem calor trocado com o meio (𝑄̇) e fluxo de massa entrando e saindo (com entalpia).

Passo 3

Escrevendo o balanço de energia geral para CV aberto (primeira lei da termodinâmica):
dECVdt ;=; dot Q ;-; dot W + sumin dot m, ein ;-; sumout dot m, eout
onde a energia específica total de cada fluxo é
e ;=; h + V^22 + g,z

Passo 4

Agora simplifica usando as hipóteses:
  1. Regime estacionário ⇒ dfracdECVdt=0.
  2. Sem partes móveis ⇒ dot W=0 (nenhum shaft work).
  3. Δenergia cinética e potencial desprezíveis ⇒ eapprox h.
Substituindo tudo isso:
0 ;=; dot Q ;+;sumindot m,hin ;-;sumoutdot m,hout

Passo 5

Falta falar do sinal:
  • dot Q>0 quando a gente fornece calor ao reator (aquecendo).
  • Se o reator libera calor pro meio, dot Q<0.
  • Não tem trabalho de eixo, então não tem dot W na conta.

Resposta

O sistema é o volume de controle que envolve o reator contínuo. Em regime estacionário, sem partes móveis e desprezando Δ Ec e Δ Ep, o balanço de energia se reduz a:
0 ;=; dot Q ;+;sumindot m,hin ;-;sumoutdot m,hout,
onde dot Q>0 é calor fornecido ao reator e dot Q<0 é calor rejeitado.

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