Escreva e simplifique o balanço de energia para sistemas fechados para cada um dos seguintes processos e estabeleça se os termos de trabalho e calor diferentes de zero são positivos ou negativos. Comece por definir o sistema. A solução da parte (a) é dada como ilustração.
(a) O conteúdo de um frasco fechado é aquecido de
até
.
Solução: o sistema é o conteúdo do frasco
(não há partes móveis nem corrente geradas
( o sistema está estacionário);
(não há mudança na altura) Logo,
( o calor é transferido ao sistema)
(b) Uma travessa com água a
é colocada no congelador. A água vira gelo a
. (Nota: quando uma substância se expande, ela exerce trabalho sobre suas vizinhanças e quando se contrai, são as vizinhanças que exercem trabalho sobre ela).
© Uma reação química acontece em um recipiente rígido fechado e adiabático (perfeitamente isolado).
(d) Repita a parte © supondo que o reator é isotérmico em vez de adiabático e que a reação é exotérmica.
(a) O conteúdo de um frasco fechado é aquecido de
(b) Uma travessa com água a
© Uma reação química acontece em um recipiente rígido fechado e adiabático (perfeitamente isolado).
(d) Repita a parte © supondo que o reator é isotérmico em vez de adiabático e que a reação é exotérmica.
Passo 1
Beleza, olha só o que a gente tem aqui: é um exercício de termodinâmica sobre balanço de energia em sistemas fechados.
Conteúdo: 1ª lei da termodinâmica (Q + W = ΔU + ΔE_c + ΔE_p) e convenção de sinais.
O que vamos precisar:
Conteúdo: 1ª lei da termodinâmica (Q + W = ΔU + ΔE_c + ΔE_p) e convenção de sinais.
O que vamos precisar:
- Definir o sistema (o que tá “dentro”).
- Identificar calor (Q), trabalho (W) e variações de energia (interna, cinética e potencial).
- Dizer quando cada Q ou W é positivo ou negativo.
Passo 2
(b) Travessa com água a 20 °C que congela até –5 °C.
- Definir sistema: só a água que está na travessa (não entra nem sai massa).
- Escrever balanço:
- Simplificar:
- ΔE_c = 0 (não muda velocidade),
- ΔE_p = 0 (não muda altura),
→.
- Sinais:
- A água congela e esfria, então perdeu energia interna →
. - Ao congelar, a água se expande e faz trabalho sobre o ambiente →
. - Para que ΔU seja negativo, o sistema cede calor ao congelador →
.
Passo 3
© Reação química em recipiente rígido, fechado e adiabático.
- Sistema: mistura reagindo dentro do recipiente.
- Balanço:
- Simplificar:
- Adiabático →
. - Rígido (volume fixo) e sem peças móveis →
.
→.
- Conclusão:
. (Toda energia liberada ou absorvida pela reação fica retida como mudança de energia interna, mas aqui a 1ª lei manda porque não saiu nem calor nem trabalho.)
Passo 4
(d) Mesma reação, agora o reator é isotérmico (mantém temperatura constante) e exotérmica.
- Sistema: mesma mistura no reator.
- Balanço:
- Simplificar:
- Continua rígido →
. - ΔE_c = ΔE_p = 0.
→.
- Sinais:
- Reação exotérmica → libera energia interna →
. - Logo
: calor sai do sistema (pra manter T constante).
Resposta
(b)
, com
,
.
© ,
→
.
(d) , com
→
,
.
©
(d)