Exercícios Resolvidos de Variação da Entropia e Segunda Lei da Termodinâmica

PUCRIO, Física 2- FIS1041, P3 - 2018.2, Questão 1

Um processo conhecido na metalurgia há muitos séculos é a têmpera do aço. Este processo que consiste no esfriamento rápido do aço aquecido a altas temperaturas serve para endurecer o metal, mas deve-se tomar o cuidado de fazer o processo nas temperaturas corretas, pois ao invés de se ter um metal endurecido, podemos ter no final um material frágil. Para fazer uma têmpera, um artesão aquece uma espada de 2,0   k g de um aço até a temperatura de 1000 ° C e em seguida a resfria rapidamente em um tanque com paredes adiabáticas contendo 10   L de água inicialmente a 20 ° C . Após a têmpera o sistema espada-água atinge o equilíbrio térmico na temperatura de 50   ° C .

c á g u a = 4186 J k g . K ;   1,0   L   de água   =   1,0   k g   de água

a) Determine o calor específico deste aço.

b) Qual a variação da entropia do sistema formado pela espada e a água no processo de resfriamento do aço? Este processo é reversível? O valor obtido está de acordo com a 2º lei da termodinâmica?

Parte II – Dois termômetros são colocados em um recipiente com água a uma temperatura X. Um termômetro está calibrado na escala Celsius e o segundo na escala Fahrenheit. Sabendo que o valor indicado na escala Celsius corresponde a metade do que indicado na escala Fahrenheit, determine qual o valor desta temperatura em Kelvin. (Ponto de fusão do gelo: 0 ° C =   32 ° F   = 273   K ; ponto de ebulição da água :   100 ° C   =   212 ° F   =   373   K ).

Passo 1

A) Vamos lá pessoal, a questão parece ser enorme, mas vamos organizar as informações e vocês vão ver que vai ficar tranquilo.

Sabemos lá da primeira lei da termodinâmica que que a soma dos calores tem que ser igual a zero. Logo:

Q a ç o + Q á g u a = 0

Desenvolvendo a expressão para a quantidade de calor, temos que:

m a ç o c a ç o ∆ T a ç o + m á g u a c á g u a ∆ T á g u a = 0

2 c a ç o 50 - 1000 + 10 × 4186 × 50 - 20 = 0

c a ç o = 660,9 J K g . K

MOSTRAR SOLUÇÃO COMPLETA

Passo 2

B) A variação de entropia total é a integral da quantidade de calor em relação ao tempo, matematicamente pode ser descrito como:

∆ S = ∫ d Q T = ∫ m c d T T = m c ln ⁡ T f T i

Para saber a entropia do sistema temos que calcular a entropia da água mais a entropia do aço.

∆ S á g u a = 10 × 4186 × ln ⁡ 323 293 = 4081 J K

∆ S á ç o = 2 × 660,9 × ln ⁡ 323 1273 = - 1812,8 J K

Logo a entropia total do sistema é

∆ S t o t a l = ∆ S á g u a + ∆ S a ç o = 2268,1 J K

Como a entropia é maior que zero, está de acordo com a 2º lei e é um processo irreversível.

Resposta

A)   660,9 J K g . K

B)   2268,1 J K

Esse conteúdo é exclusivo para cadastrados.

Cadastre-se grátis no maior portal de exatas do Brasil!

Relaxa, não vamos publicar nada no seu nome.

  • Resumões direto ao ponto
    Resumões
    direto ao ponto
  • Exercícios resolvidos passo a passo
    Exercícios resolvidos
    passo a passo
  • Videoaulas incríveis
    Videoaulas
    incríveis
  • Aulões Salva-Vidas
    Aulões
    Salva-Vidas