Questão 3: Quando um fluido escoa através de uma restrição, como um orifício, uma válvula parcialmente fechada ou um tampão poroso, sem qualquer variação apreciável de energia cinética ou potencial, e na ausência de transferência de calor, realiza-se um processo
A) isotérmico.
B) isentálpico.
C) isentrópico.
D) isobárico.
E) isocórico.
A) isotérmico.
B) isentálpico.
C) isentrópico.
D) isobárico.
E) isocórico.
Passo 1
O enunciado descreve a situação: um fluido escoa através de uma restrição (orifício, válvula parcialmente fechada, tampão poroso) com as seguintes condições dadas:
- não há variação apreciável de energia cinética;
- não há variação apreciável de energia potencial;
- não há transferência de calor (adiabático).
A pergunta é: sob essas condições, qual dos processos listados ocorre? As alternativas são:
A) isotérmico.
B) isentálpico.
C) isentrópico.
D) isobárico.
E) isocórico.
Passo 2
Vamos usar a expressão da primeira lei para um sistema aberto em regime estacionário (equação de energia em escoamento estacionário). A forma geral (por unidade de massa) é
onde explico cada símbolo:
-
é a taxa de calor adicionada ao sistema (por unidade de tempo); -
é a taxa de trabalho de eixo (shaft work) realizado pelo sistema (por unidade de tempo); -
é a vazão mássica (masse por unidade de tempo); -
é a entalpia específica (energia interna por unidade de massa mais ); isto é, , com = energia interna específica, = pressão e = volume específico; -
(ou nos livros) é a velocidade do fluido (energia cinética ); -
é a cota (energia potencial ); - índices
e referem-se a antes e depois da restrição.
Passo 3
Agora aplico as hipóteses do enunciado:
- ausência de transferência de calor:
; - sem trabalho de eixo relevante (válvula/orifício não produz trabalho de eixo):
(é o caso típico de uma válvula ou orifício); - variação desprezível de energia cinética:
; - variação desprezível de energia potencial:
.
Substituindo e simplificando a equação de energia temos, por unidade de massa,
ou seja
Portanto, a entalpia específica permanece constante ao atravessar a restrição — esse é o resultado direto e essencial.
Passo 4
Vamos definir claramente o que cada alternativa significa, para evitar confusão:
- isotérmico: temperatura constante, isto é
. - isentálpico: literal da alternativa — significa processo de entalpia constante, isto é
. (Observação: a palavra refere-se a “isentálpico” no enunciado; o conceito físico por trás é o de processo isenthalpico, ou seja, entalpia constante.) - isentrópico: entropia constante, isto é
. - isobárico: pressão constante, isto é
. - isocórico: volume específico constante, isto é
(atenção: aqui usei para volume específico; não confundir com velocidade).
Passo 5
Relacionando o resultado do Passo 3 com as definições do Passo 4: obtivemos
. Isso coincide exatamente com a definição de processo isentálpico (entalpia constante). Logo a descrição física dada (restrição, sem calor, sem variação apreciável de energia cinética e potencial) caracteriza um processo isenthalpico (throttling).
Passo 6
Por que não são as outras alternativas?
- não é necessariamente isotérmico: a temperatura pode mudar no estrangulamento (dependendo da natureza do fluido e da inversão Joule–Thomson); portanto
pode ser diferente de . - não é isentrópico: o processo de estrangulamento é tipicamente irreversível, então a entropia geralmente aumenta (
), logo não é de entropia constante. - não é isobárico nem isocórico: pressão e volume específico normalmente mudam no estrangulamento; apenas a entalpia fica (aproximadamente) constante.
Passo 7
Exemplo concreto para fixar: a expansão tipo Joule–Thomson (passagem por válvula estrangulada) é classicamente modelada como adiabática, sem trabalho de eixo e sem variação apreciável de energia cinética/potencial — e por isso usamos
. É comum nos exames pedir que você reconheça essa condição e associe a “restrição” com processo isenthalpico.
Resposta
B) isentálpico.