Fundamentos de Física 9ª Edição Vol 2 - Halliday 2 ED 9 (em cores)

lJ " lTU LO 18
TESTE 6
Para o ciclo fc1..•h,1d111no,trad1l no d iagran1a
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pelo gas porque ele se t cs oca p,11,1 L " ~ ' ' • ...
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ncnhun1a rcsislencia (pressão) na segunda can1ara.
_
Un1a expansão livre é diferente dos outros processo; p~rquc nao pocJc ~cr rea.
lizada lenlatnente de f or1na controlada. Etn consequencta, durante a c.:xpan ílu
abrupta, o gás não' está e1n equilíbrio térmico e a pressão não é ~niforme. A\sírn
embora os estados inicial e final possam ser mostrados em um dtagrama fJ· \', nao
podemos plotar a trajetória da expansão.
Primeira lei da termodinâmica: trabalho, calor e variação de energia interna
Suponha que 1,00 kg de água a lOOºC seja convertido em
vapor a lOOºC à pressão atmosférica padrão (1,00 atm =
1,01 X 10 5 Pa) no arranjo da Fig. 18-17. O volume da água
varia de um valor inicial de 1,00 X 10- 3 m 3 como líquido
para 1,671 m 3 como vapor.
(a) Qual é o trabalho realizado pelo sistema durante o
processo?
(1) O trabalho realizado pelo sistema é positivo, já que o
volume aumenta. (2) Podemos calcular o trabalho W integrando
a pressão em relação ao volume (Eq. 18-25).
Cálculo Como a pressão é constante, podemos colocar p do
lado de fora do sinal de integração. Temos, portanto,
w ..:.
(vr p dV = p (vr dV = p(11- - V;)
Jv; Jv;
= (1,01 X 10 5 Pa)(l,671 m 3 - 1,00 X 10- 3 m 3 )
= 1,69 X 10 5 J = 169 kJ. (Resposta)
(b) Qual é a energia é transferida na forma de calor durante
o processo?
... - ,.. ~.1:.--_-:r .... ~ •·
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~ ... .,..,..~-
..--~--.. . .::,. .. ,.' ~. .,. 1 D
-
.-~·-~~ ... ,"'(.... .
Como o calor provoca apenas uma mudança de fase (a
temperatura é a mesma nos estados inicial e final), é dado
integralmente pela Eq. 18-16 (Q = Lm).
Cálculo Como a mudança é da fase líquida para a fase
gasosa, L é o calor de vaporização Lv da água, cujo valor
aparece na Eq. 18-17 e na Tabela 18-4. Temos:
Q = L v111 = (2256 kJ/kg)(l ,00 kg)
= 2256 kJ = 2260 kJ. (Resposta)
( c) Qual é a variação da energia interna do sistema durante
o processo?
.. _-: , · . . 1 D E I A ;:._C H A V E ..
A variação da energia interna do sistema está relacionada
ao calor (no caso, a energia transferida para o sistema) e ao
trabalho (no caso, a energia transferida para fora do sistema)
através da primeira lei da termodinâmica (Eq. 18-26).
Cálculo A primeira lei pode ser escrita na forma
!lE-
1nt
= Q - W = 2256 kJ - 169 kJ
= 2090 kJ = 2,09 MJ. (Resposta)
Como este valor é positivo, a energia interna do sistema aumentou
durante o processo de ebulição. Essa energia é usada
para separar as moléculas de H 2 0 , que se atraem fortemente
no estado líquido. Vemos que, quando a água é transfonnada
'em vapor, cerca de 7,5% ( = 169 kJ/2260 kJ) do calor é transferido
para o trabalho de abrir caminho na atmosfera. O resto
do calor é transferido para a energia interna do sistema.
•
Vapor
Q
R cscrva t ono , . termtco
. . T
O
Isolamento
Controle de ten1 eratura
. ' .
Figura 18-17 Agua fervendo à pressão constante. A energia
é transferida do reservatório ténnico, na forma de calor. até
que toda a água se transforme em vapor. O gás se expande e
realiza trabalho ao levantar o êmbolo.