9- Quais as implicações de um sistema ser fechado ou aberto?
Passo 1
O enunciado pede para comparar as implicações de tratarmos um sistema termodinâmico como fechado ou aberto. Vamos usar os conceitos de massa e energia e a Primeira Lei da Termodinâmica para sistemas de massa constante (sistemas fechados) e para volumes de controle (sistemas abertos).
Passo 2
Um sistema fechado (ou sistema de massa fixa) é aquele em que não há troca de massa com o entorno, mas pode haver troca de energia na forma de calor
e trabalho
. Como a massa
é constante, o balanço de massa é trivial (
). A Primeira Lei para um processo que leva o sistema de um estado 1 a um estado 2 fica
onde
é a variação de energia interna do sistema.
Passo 3
As principais consequências de usar um sistema fechado são:
- A massa permanece fixa, então não precisamos considerar termos de fluxo de massa no balanço de energia.
- Toda variação de energia interna vem de calor ou trabalho aplicado à fronteira do sistema.
- Exemplos típicos: gás confinado em pistão, recipiente rígido, processos de aquecimento e compressão em máquinas de deslocamento positivo.
Passo 4
Um sistema aberto (ou volume de controle) permite troca de massa e energia com o ambiente. Nesse caso precisamos incluir no balanço de energia os termos de entalpia e energia cinética e potencial associada à massa que entra e sai. A forma geral da Primeira Lei para um volume de controle, em regime geral, é
onde
é a energia total dentro do volume de controle,
são vazões mássicas,
entalpia específica,
energia cinética específica e
energia potencial específica.
Passo 5
As implicações práticas na análise são:
- Sistema fechado: basta acompanhar
, e no controle de massa fixa. - Sistema aberto: devo escolher um volume de controle, mensurar vazões mássicas e incluir entalpia e energia de fluxo nos termos de entrada e saída.
Na modelagem de turbinas, compressores, trocadores de calor com fluxo, bombas etc., usa-se o sistema aberto; em processos de aquecimento sem fluxo de massa (como num tubo fechado), usa-se o sistema fechado.
Resposta
Em resumo, num sistema fechado a massa é fixa e só há troca de energia por calor e trabalho (
), enquanto num sistema aberto há ainda transferência de massa e, com ela, entalpia e energia associada aos fluxos, exigindo a formulação de balanço energético do volume de controle com termos de vazão mássica.