1. Um recipiente contendo água líquida é colocado em um congelador e é resfriado de 20^{\circ} \mathrm{C} para -5{ }^{\circ} \mathrm{C}. Identifique o(s) fluxo(s) de energia e a acumulação de energia detectados no processo e explique as mudanças que ocorrem.

Passo 1

O enunciado diz: um recipiente com água líquida é colocado num congelador e é resfriado de \,20^\circ\mathrm{C}\, para -5^\circ\mathrm{C}. A tarefa é identificar os fluxos de energia observados no processo e a acumulação de energia, e explicar as mudanças que ocorrem.\n
Informações dadas e hipóteses que vamos usar (tudo explícito):\n
  • Temperatura inicial da água: \,T_i=20^\circ\mathrm{C}\,.\n
  • Temperatura final do conteúdo do recipiente: \,T_f=-5^\circ\mathrm{C}\,.\n
  • O sistema considerado é o líquido (água) dentro do recipiente; presumimos massa constante (sistema fechado, sem troca de massa).\n
  • Não foram dadas massas nem propriedades numéricas; assumiremos valores genéricos m, c e L quando preciso.\n
  • Como a água passa de 20^\circ\mathrm{C} para -5^\circ\mathrm{C}, há necessariamente uma solidificação (congelamento) ocorrendo em 0^\circ\mathrm{C} para água pura (poderá haver super-resfriamento na prática, mas assumimos mudança de fase em 0^\circ\mathrm{C}).\n
    O que o enunciado pede: listar os fluxos de energia (quem entrega energia a quem, por que mecanismos) e a acumulação de energia (o que muda na energia interna do sistema e em que etapas).

Passo 2

Princípio físico que usamos: balanço de energia (Primeira Lei da Termodinâmica) para sistema fechado sem trabalho de eixo. Escrevemos a forma útil:\n
\Delta E_{sys} = Q - W\n
onde:\n
  • \Delta E_{sys} é a variação da energia total do sistema (aqui, essencialmente energia interna),\n
  • Q é o calor trocado com o entorno (positivo se entra no sistema),\n
  • W é o trabalho realizado pelo sistema (positivo se o sistema faz trabalho sobre o entorno).\n
    No nosso caso prático: não há trabalho útil realizado pelo líquido (nenhum pistão, nem trabalho de fluxo), logo W\approx 0. Assim:\n
\Delta E_{sys} = Q.\n
Interpretação de sinais: se o sistema (a água) perde calor para o congelador, Q<0 e então \Delta E_{sys}<0: a energia interna do sistema diminui.

Passo 3

Divisão física do processo em etapas (isso facilita entender os fluxos e onde a energia “vai”):\n
  1. Resfriamento sensível da água líquida de \,20^\circ\mathrm{C} até \,0^\circ\mathrm{C}.\n
  2. Mudança de fase (congelamento) à temperatura constante \,0^\circ\mathrm{C}: elimina-se calor latente até toda a água virar gelo (se houver massa parcial, ocorre até completar a fase).\n
  3. Resfriamento sensível do gelo de \,0^\circ\mathrm{C} até -5^\circ\mathrm{C}.\n
    Cada etapa corresponde a um fluxo de calor do sistema para o congelador (ou vice‑versa): sempre calor saindo do sistema, portanto Q negativo em todas as etapas.

Passo 4

Energia retirada na etapa 1 — resfriamento sensível da água líquida.\n
Fórmula (sensible heat):\n
Q_1 = m\,c_\ell\,(T_{final}-T_{inicial})\n
onde:\n
  • m é a massa da água (em kg),\n
  • c_\ell é o calor específico da água líquida (em \mathrm{kJ/(kg\cdot K)} ou \mathrm{J/(kg\cdot K)}),\n
  • T_{inicial}=20^\circ\mathrm{C} e T_{final}=0^\circ\mathrm{C} nessa etapa.\n
    Explicação didática: essa fórmula vem da definição de calor sensível — para mudar a temperatura de uma massa sem mudar de fase, a energia trocada é proporcional à massa, ao calor específico (medida de “quantos joules precisamos para aumentar 1 K por kg”) e à variação de temperatura. Como T_{final}<T_{inicial}, Q_1<0: calor sai do sistema.

Passo 5

Energia retirada na etapa 2 — mudança de fase (congelamento) à \,0^\circ\mathrm{C}.\n
Fórmula (calor latente):\n
Q_2 = -\,m\,L_f\n
onde:\n
  • L_f é o calor latente de fusão da água (energia necessária para fundir 1 kg de gelo a 0^\circ\mathrm{C} ou liberada ao congelar 1 kg de água a 0^\circ\mathrm{C}),\n
  • sinal negativo indica que, no processo observado, a energia é liberada pelo sistema (água) para o entorno.\n
    Explicação didática: durante congelamento a temperatura não muda — a energia extra necessária para reorganizar as moléculas em estrutura sólida é trocada como calor latente. Portanto, embora a temperatura fique fixa em 0^\circ\mathrm{C}, há uma grande quantidade de energia sendo retirada para criar gelo. Essa é geralmente a parcela dominante da energia a ser removida.

Passo 6

Energia retirada na etapa 3 — resfriamento sensível do gelo de \,0^\circ\mathrm{C} até -5^\circ\mathrm{C}.\n
Fórmula:\n
Q_3 = m\,c_s\,(T_{final}-T_{inicial})\n
onde:\n
  • c_s é o calor específico do gelo (menor que o do líquido),\n
  • T_{inicial}=0^\circ\mathrm{C} e T_{final}=-5^\circ\mathrm{C} nessa etapa.\n
    Como antes, T_{final}<T_{inicial} então Q_3<0.

Passo 7

Energia total retirada e acumulação no sistema.\n
Somando as três etapas:\n
Q_{total} = Q_1 + Q_2 + Q_3 = \Delta E_{sys}.\n
Significado: Q_{total} é a energia total que saiu da água durante o processo. Como Q_{total}<0, a energia interna do sistema diminuiu em |Q_{total}|. Em termos práticos, isso significa que o congelador teve de absorver essa energia (e a máquina do refrigerador, por seu ciclo, transferiu-a para o ambiente externo). Não houve troca de massa nem trabalho significativo, então a única acumulação é a queda da energia interna associada ao resfriamento e à mudança de fase.

Passo 8

Mecanismos físicos do fluxo de energia (onde e como o calor sai):\n
  • Transferência direta do conteúdo para as paredes do recipiente por condução; depois o calor passa da parede para o ar do freezer por convecção (ou para a superfície refrigerante do evaporador por convecção natural/forçada); há também perda por radiação, geralmente pequena neste caso.\n
  • A máquina do congelador (compressor, circuito refrigerante) faz trabalho para transportar calor do interior (do sistema) para o ambiente externo; do ponto de vista do sistema água, isso aparece apenas como calor saindo — o trabalho é realizado pelo refrigerador, não pela água.\n
    Portanto, o fluxo é: água → parede do recipiente → ar/evaporador do freezer → sistema frigorífico → ambiente externo.

Passo 9

Observações práticas e pontos a lembrar para prova (dicas amigáveis):\n
  • Sempre decomponha processos que envolvem mudança de fase em “resfriamento sensível — mudança de fase — resfriamento sensível”, isso organiza bem o cálculo e a explicação.\n
  • Use a equação \Delta E_{sys}=Q para sistemas fechados sem trabalho; verifique sinais (calor saindo é negativo).\n
  • Lembre-se que o calor latente geralmente é muito maior que os calores sensíveis associados a pequenas variações de temperatura; por isso, a maior parte da energia removida ao congelar água vem do \,mL_f.\n
  • Na prática pode haver super-resfriamento (a água cair abaixo de 0^\circ\mathrm{C} antes de solidificar), mas o enunciado típico de prova assume congelamento em 0^\circ\mathrm{C}.

Passo 10

Se quiser um número concreto para intuir ordens de grandeza, use m=1\\ \mathrm{kg}, c_\ell=4{,}18\\ \mathrm{kJ/(kg\cdot K)}, L_f=334\\ \mathrm{kJ/kg}, c_s=2{,}10\\ \mathrm{kJ/(kg\cdot K)}. Então:\n
Q_1=1\cdot4{,}18\cdot(0-20)=-83{,}6\\ \mathrm{kJ},\n
Q_2=-1\cdot334=-334\\ \mathrm{kJ},\n
Q_3=1\cdot2{,}10\cdot(-5-0)=-10{,}5\\ \mathrm{kJ},\n
Q_{total}=-83{,}6-334-10{,}5=-428{,}1\\ \mathrm{kJ}.\n
Interpretação: para 1 kg de água, o congelador precisa retirar cerca de \,428{,}1\\ \mathrm{kJ}\, — a energia interna da água diminui nesse valor.

Resposta

Fluxos de energia: calor sai da água para o congelador por condução/convecção (e pequena radiação); esse calor é transferido pelo circuito frigorífico para o ambiente externo. Esse fluxo ocorre em três etapas: resfriamento sensível da água de \,20^\circ\mathrm{C} a \,0^\circ\mathrm{C} ( Q_1=m\,c_\ell\,(0-20)), liberação de calor latente durante o congelamento à \,0^\circ\mathrm{C} ( Q_2=-m\,L_f), e resfriamento sensível do gelo de \,0^\circ\mathrm{C} a -5^\circ\mathrm{C} ( Q_3=m\,c_s\,(-5-0)).\n
Acumulação de energia: a energia interna do sistema diminui; \Delta E_{sys}=Q_{total}=Q_1+Q_2+Q_3 (valor negativo), ou seja, a água perde energia (sensible + latent) até atingir -5^\circ\mathrm{C}.

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