- Um recipiente contendo água líquida é colocado em um congelador e é resfriado de
para
. Identifique
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
para
. 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
Informações dadas e hipóteses que vamos usar (tudo explícito):\n
- Temperatura inicial da água:
.\n - Temperatura final do conteúdo do recipiente:
.\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
, e quando preciso.\n - Como a água passa de
para , há necessariamente uma solidificação (congelamento) ocorrendo em para água pura (poderá haver super-resfriamento na prática, mas assumimos mudança de fase em ).\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
onde:\n
-
é a variação da energia total do sistema (aqui, essencialmente energia interna),\n -
é o calor trocado com o entorno (positivo se entra no sistema),\n -
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. Assim:\n
Interpretação de sinais: se o sistema (a água) perde calor para o congelador,
e então
: 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
- Resfriamento sensível da água líquida de
até .\n - Mudança de fase (congelamento) à temperatura constante
: elimina-se calor latente até toda a água virar gelo (se houver massa parcial, ocorre até completar a fase).\n - Resfriamento sensível do gelo de
até .\n
Cada etapa corresponde a um fluxo de calor do sistema para o congelador (ou vice‑versa): sempre calor saindo do sistema, portantonegativo em todas as etapas.
Passo 4
Energia retirada na etapa 1 — resfriamento sensível da água líquida.\n
Fórmula (sensible heat):\n
Fórmula (sensible heat):\n
onde:\n
-
é a massa da água (em kg),\n -
é o calor específico da água líquida (em ou ),\n -
e 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, : calor sai do sistema.
Passo 5
Energia retirada na etapa 2 — mudança de fase (congelamento) à
.\n
Fórmula (calor latente):\n
Fórmula (calor latente):\n
onde:\n
-
é o calor latente de fusão da água (energia necessária para fundir 1 kg de gelo a ou liberada ao congelar 1 kg de água a ),\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, 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
até
.\n
Fórmula:\n
Fórmula:\n
onde:\n
-
é o calor específico do gelo (menor que o do líquido),\n -
e nessa etapa.\n
Como antes,então .
Passo 7
Energia total retirada e acumulação no sistema.\n
Somando as três etapas:\n
Somando as três etapas:\n
Significado:
é a energia total que saiu da água durante o processo. Como
, a energia interna do sistema diminuiu em
. 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
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
.\n - Na prática pode haver super-resfriamento (a água cair abaixo de
antes de solidificar), mas o enunciado típico de prova assume congelamento em .
Passo 10
Se quiser um número concreto para intuir ordens de grandeza, use
,
,
,
. Então:\n
Interpretação: para 1 kg de água, o congelador precisa retirar cerca de
— 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
a
(
), liberação de calor latente durante o congelamento à
(
), e resfriamento sensível do gelo de
a
(
).\n
Acumulação de energia: a energia interna do sistema diminui; (valor negativo), ou seja, a água perde energia (sensible + latent) até atingir
.
Acumulação de energia: a energia interna do sistema diminui;