Um dispositivo cilindro-pistão sem atrito contém uma mistura saturada líquido-vapor de água a
. Em um processo a pressão constante 600 KJ de calor são transferidos para a vizinhança que está a
. Como resultado, parte do vapor contido no cilindro condensa. Determinar a variação de entropia da água. Determinar a geração total de entropia neste processo de transferência de calor.
Passo 1
Beleza, vamos entender o que está acontecendo aqui. Temos um cilindro-pistão sem atrito contendo uma mistura de água em fase líquida e vapor, tudo a 100°C. A pressão se mantém constante e 600 kJ de calor são transferidos para o ambiente, que está a 25°C. Com essa transferência de calor, parte do vapor no cilindro condensa. Nosso objetivo é descobrir duas coisas:
- Variação de entropia da água.
- Geração total de entropia nesse processo de transferência de calor.
Para resolver isso, vamos precisar usar conceitos de termodinâmica, especialmente relacionados à entropia e à segunda lei da termodinâmica.
Passo 2
Primeiro, vamos calcular a variação de entropia da água no sistema. Sabemos que a entropia é uma medida da desordem ou da energia dispersa no sistema.
A fórmula básica para a variação de entropia quando há transferência de calor a temperatura constante é:
Onde:
-
é a variação de entropia, -
é o calor transferido, -
é a temperatura absoluta em Kelvin.
Passo 3
Mas atenção! O calor
é transferido do sistema para o ambiente, então
(pois está saindo do sistema). A temperatura do sistema é 100°C, que em Kelvin fica:
Agora, aplicando a fórmula:
Passo 4
Agora, vamos calcular a geração total de entropia no processo. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, a entropia do universo sempre aumenta em processos espontâneos. Isso significa que a entropia gerada (
) é a diferença entre a entropia final menos a inicial do sistema e da vizinhança.
Sabemos que a vizinhança está a 25°C, ou seja, 298,15 K. O calor transferido para ela é
. A variação de entropia da vizinhança é:
Passo 5
Agora, somamos as variações de entropia do sistema e da vizinhança para encontrar a geração total de entropia:
Resposta
A variação de entropia da água é de aproximadamente
e a geração total de entropia no processo de transferência de calor é de
.