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 Q e trabalho W. Como a massa m é constante, o balanço de massa é trivial ( \Delta m=0). A Primeira Lei para um processo que leva o sistema de um estado 1 a um estado 2 fica
\Delta U = Q - W,
onde \Delta U = U_2 - U_1 é a variação de energia interna do sistema.

Passo 3

As principais consequências de usar um sistema fechado são:
  1. A massa permanece fixa, então não precisamos considerar termos de fluxo de massa no balanço de energia.
  2. Toda variação de energia interna vem de calor ou trabalho aplicado à fronteira do sistema.
  3. 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
\frac{dE_{cv}}{dt} = \dot Q - \dot W + \sum_{\text{in}}\dot m_{\text{in}}\Bigl(h_{\text{in}} + \tfrac{v_{\text{in}}^2}{2} + g z_{\text{in}}\Bigr) - \sum_{\text{out}}\dot m_{\text{out}}\Bigl(h_{\text{out}} + \tfrac{v_{\text{out}}^2}{2} + g z_{\text{out}}\Bigr),
onde E_{cv} é a energia total dentro do volume de controle, \dot m são vazões mássicas, h entalpia específica, v^2/2 energia cinética específica e g z energia potencial específica.

Passo 5

As implicações práticas na análise são:
  • Sistema fechado: basta acompanhar U, Q e W 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 ( \Delta U=Q-W), 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.

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