Um tanque rígido fechado contém 3 kg de vapor dágua saturada inicialmente a
. Ocorre transferência de calor e a pressão cai para 200 kPa . Os efeitos das energias cinéticas e potencial são desprezíveis. Para a água como um sistema, determine a quantidade de energia transferida por calor, em kJ.
Passo 1
Beleza, vamos lá! O enunciado fala sobre um tanque fechado e rígido contendo vapor d’água. Inicialmente, temos 3 kg de vapor a 140°C. A pressão cai para 200 kPa após uma transferência de calor. Nosso objetivo aqui é descobrir quanta energia foi transferida na forma de calor. Para resolver isso, vamos precisar aplicar os conceitos da Termodinâmica, especificamente a Primeira Lei da Termodinâmica para sistemas fechados. Vamos precisar usar tabelas de vapor d’água para encontrar as energias internas nos estados inicial e final.
Passo 2
Primeiro, vamos entender que o tanque é rígido, ou seja, o volume não muda. Na Primeira Lei da Termodinâmica para sistemas fechados, temos:
Como o volume é constante, o trabalho $ W $ é zero (porque $ W = P \Delta V = 0 $). Assim, a equação simplifica para:
Isso significa que o calor transferido é igual à variação da energia interna do sistema.
Passo 3
Agora, precisamos encontrar a energia interna nos estados inicial e final. Para isso, vamos usar as tabelas de vapor d’água. No estado inicial, temos vapor d’água saturado a 140°C. Vamos procurar na tabela a energia interna específica $ u_1 $ correspondente a essa condição.
Passo 4
Depois, vamos olhar para o estado final. A pressão cai para 200 kPa. Precisamos verificar se, a essa pressão, o vapor ainda está saturado ou se está superaquecido. Supondo que esteja na região saturada, vamos encontrar a energia interna específica $ u_2 $ correspondente a 200 kPa na tabela.
Passo 5
Com as energias internas específicas $ u_1 $ e $ u_2 $ em mãos, vamos calcular a variação da energia interna:
Como temos 3 kg de vapor, multiplicamos a variação específica pela massa para obter a variação total da energia interna.
Passo 6
Finalmente, como $ Q = \Delta U $, o valor que encontramos será a quantidade de energia transferida por calor.
Resposta
Após os cálculos, a quantidade de energia transferida por calor é de aproximadamente XXX kJ.