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.
Uma travessa com água a 20^circ C é colocada no congelador. A água vira gelo a -5^circ C. (Nota: quando uma substância se expande, ela exerce trabalho sobre suas vizinhanças e quando se contrai, são as vizinhanças que exercem trabalho sobre ela).

Passo 1

Beleza, o problema diz que temos uma travessa com água a 20 °C que vai pro congelador e vira gelo a –5 °C. O assunto é o Balanço de Energia (1º princípio da Termodinâmica) para sistema fechado.
O que a gente vai usar:
  • A definição de sistema fechado (não entra nem sai massa).
  • 1º Princípio: ΔE = Q – W.
  • Trabalho de fronteira (W = ∫ p dV) e convenção de sinais (Q>0 entra calor; W>0 trabalho feito pelo sistema).

Passo 2

Definir o sistema:
O nosso sistema é o conteúdo da travessa (toda a água que vai virar gelo). Nada de massa entra ou sai, só rola troca de calor com o congelador e trabalho de expansão/contração.

Passo 3

Escrever a forma geral do 1º Princípio pra sistema fechado:
E total = U + KE + PE
Mas aqui a água/parafuso não muda velocidade nem altura, então ΔKE ≈ 0 e ΔPE ≈ 0.
Logo sobra só a energia interna U:
De

Passo 4

Agora, o trabalho é só o de fronteira, gerado pela expansão ou contração de volume:
W = integralV1^V2 pext,dV
No congelador a pressão externa é aproximadamente constante (1 atm), então
W = p0,(V2 - V1)

Passo 5

Vamos analisar sinais e valores:
  • Quando a água vira gelo e esfria de 20 °C para –5 °C, seu volume aumenta (gelo é menos denso que água líquida). Logo e . Então
    > 0. Isso significa que o sistema faz trabalho sobre o ambiente.
  • O congelador retira calor do sistema, então .

Passo 6

Substituindo em ΔU = Q – W:
De
Esse é o balanço de energia simplificado.
Sinais:
  • (calor sai).
  • (expansão faz trabalho).

Resposta

Balanço de energia:
boxedDe0

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