Explique em detalhes como classificamos os seguintes calorímetros em termos da troca de energia, matéria e da fronteira entre o sistema e as suas vizinhanças ?
Uma panela de pressão
Uma panela de pressão
Passo 1
Então, olha só o que a questão tá pedindo: queremos entender como uma panela de pressão — considerada aqui como um “calorímetro” — se comporta em termos de trocas de energia, de matéria e qual é o tipo de fronteira entre o sistema (o que tá dentro da panela) e o resto do mundo. O conteúdo envolve conceitos básicos de termodinâmica: definição de sistema, vizinhança, fronteiras e classificação em aberto, fechado ou isolado. A ideia é usar a teoria da 1ª lei (troca de calor, trabalho e massa) e os conceitos de fronteira.
Passo 2
Primeiro, bora recapitular as definições:
- Sistema: é a parte do universo que a gente estuda (a comida e o vapor dentro da panela).
- Vizinhança: tudo que tá fora do sistema (a cozinha, o fogão, o ar ambiente).
- Fronteira: a “parede” que separa sistema de vizinhança.
- Se ela deixa entrar/participar matéria: dizemos que a fronteira é permeável.
- Se não deixa matéria passar: é impermeável.
- Se deixa trocar calor (energia térmica): chamamos de diatérmica; se não deixa trocar calor: adiabática.
- Classificação de sistemas:
- Aberto: troca energia e matéria.
- Fechado: troca energia (calor e/ou trabalho), mas não matéria.
- Isolado: não troca nem energia nem matéria.
Na termodinâmica, para um sistema fechado usamos a 1ª lei na forma
ou seja, a variação de energia interna
é o calor
que entra menos o trabalho
que o sistema faz sobre os arredores.
Passo 3
Agora, pensa na panela de pressão:
- A tampa fecha bem, não permite que a comida ou vapor escapem (até a válvula de segurança só alivia pressão, mas não massa livremente). Logo, não há troca de matéria com a vizinhança → sistema fechado.
- A panela conduz calor da chama do fogão para dentro, e o vapor faz trabalho contra a pressão interna da tampa/pistão (por isso gera trabalho de expansão e geração de calor interno). Então, há troca de energia na forma de calor e de trabalho.
- A fronteira (a parede e a tampa da panela) é impermeável a matéria, mas permeável a troca de calor (diatérmica) e móvel (porque o fluido dentro exerce pressão e a válvula/pistão pode se deslocar levemente, permitindo trabalho de expansão).
Resposta
A panela de pressão, considerada como sistema termodinâmico, é um sistema fechado (troca energia — calor e trabalho —, mas não troca massa), com fronteira impermeável a matéria, diatérmica (permite calor) e móvel (permite trabalho de expansão).