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.
Repita a parte © supondo que o reator é isotérmico em vez de adiabático e que a reação é exotérmica.
Repita a parte © supondo que o reator é isotérmico em vez de adiabático e que a reação é exotérmica.
Passo 1
Tá rolando o seguinte: a gente quer repetir o item © do exercício, só que agora o reator é isotérmico (T constante) em vez de adiabático e a reação é exotérmica (libera calor). O conteúdo que vamos usar é a Primeira Lei da Termodinâmica para sistema fechado:
ΔU = Q – W,
onde U é energia interna, Q é calor trocado (positivo quando entra) e W é trabalho (positivo quando o sistema faz). Além disso, precisamos saber como a reação química entra na conta de ΔU e entender as condições isotérmicas e de trabalho de fronteira.
ΔU = Q – W,
onde U é energia interna, Q é calor trocado (positivo quando entra) e W é trabalho (positivo quando o sistema faz). Além disso, precisamos saber como a reação química entra na conta de ΔU e entender as condições isotérmicas e de trabalho de fronteira.
Passo 2
Definindo o sistema: o “systema” é todo o conteúdo do reator fechado (gases, fluidos, reagentes e produtos).
Convenções de sinais:
Convenções de sinais:
- Q>0 quando o sistema recebe calor; Q<0 quando ele libera.
- W>0 quando o sistema faz trabalho sobre o ambiente; W<0 quando o ambiente faz trabalho sobre ele.
Passo 3
Escrevemos a 1ª Lei para esse sistema fechado:
Até aqui nada de novo: energia interna muda por calor e por trabalho.
Passo 4
Agora aplicamos as condições dadas:
- Isotérmico → T₂ = T₁. Num sistema fechado de substâncias “comportando‐se bem” (p.ex. fluidos ou gases ideais), a parte da variação de energia interna ligada à temperatura é zero.
- Trabalho de fronteira: como é um reator fechado e geralmente sem pistão, tomamos W = 0 (não há expansão/compressão).
Logo, sob essas condições:
Passo 5
Falta incluir a reação exotérmica:
– A energia interna varia por causa da reação química:
– A energia interna varia por causa da reação química:
Num processo exotérmico, a reação libera energia, então
.
Como Q = ΔU, fica:
Como Q = ΔU, fica:
Ou seja, o calor sai do sistema (Q negativo) para manter a temperatura.
Resposta
Para o reator isotérmico e reação exotérmica, temos