Onde a demonstração não é deixada como exercício para o leitor.

Exercício 21, Capítulo 20, Fundamentos de Física Vol. 2: remover

Halliday & Resnick

Fundamentos de Física – 10a Edição

Capítulo 20: Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica

Exercício 21:

Enunciado:

É possível remover energia, na forma de calor, de água à temperatura de congelamento (0,0°C à pressão atmosférica), ou mesmo abaixo dessa temperatura, sem que a água congele; quando isso acontece, dizemos que a água está super-resfriada. Suponha que uma gota d’água de 1,00 g seja super- resfriada até que a temperatura seja a mesma do ar nas vizinhanças… para ter acesso ao enunciado completo, cheque a disponibilidade do livro na biblioteca da sua instituição de ensino. O livro também pode ser adquirido através desse link.

Dados relevantes fornecidos no enunciado:

  • Gota d’água de massa $m=1\;g$ resfriada até a temperatura de $T_1=-5^{\circ}C=268\;K$;
  • Em seguida, a gota congela;
  • Após, temos a troca de calor da água com o ar, de $T_1$ até o ponto de congelamento $T_2=0^{\circ}C=273\;K$;
  • Calor específico do gelo é de $c_g=2220\;J/kgK$.
  • Item Único:

    O exercício nos pede qual a variação de entropia da gota. O livro sugere usarmos um processo reversível de três estágios. Portanto, vamos definir quais são os três processos.

  • Primeiramente, temos a gota passando da temperatura super resfriada ($T_1$) para a temperatura de congelamento ($T_2$).
  • Depois, temos o processo necessário para a mudança de estado de líquido para sólido (lembre-se que o fenômeno de super resfriamento faz a água estar abaixo de zero ainda no estado líquido).
  • O terceiro processo é a água voltar novamente para a temperatura de $T_1=-5^{\circ}C$ mas dessa vez no estado sólido.
  • Podemos agora transformar esses processos em equações de variação de entropia para cada um dos três processos: $\Delta S_1$, $\Delta S_2$, $\Delta S_3$. Usando a Equação (20-1) do livro, temos:

    $$
    \Delta S_1 = \int_i^f \frac{dQ}{T} = mc_w \ln \left( \frac{T_2}{T_1} \right)
    \tag{1}$$

    No qual $c_w$ é o calor específico da água em estado líquido, dado por $c_w=4,19\;J/g$. Para o segundo processo, a troca de calor é devido apenas a mudança de estado, sem variação de temperatura. Com isso, temos:

    $$
    \Delta S_2 = \frac{-mL}{T_2}
    \tag{2}$$

    No qual $L$ é o calor latente de fusão da água, dado por $L=333\;J/g$. No terceiro processo, temos o mesmo processo que no primeiro, mas dessa vez teremos o calor específico do gelo e o processo vai de $T_2$ para $T_1$:

    $$
    \Delta S_3 = mc_g ln \left( \frac{T_1}{T_2} \right) = -mc_g \ln \left( \frac{T_2}{T_1} \right)
    \tag{3}$$

    Com isso, temos que a variação total da gota d’água é:

    $$
    \Delta S = \Delta S_1 + \Delta S_2 + \Delta S_3 = m (c_w-c_g) \ln \left( \frac{T_2}{T_1} \right) – \frac{mL}{T_2}
    \tag{4}$$

    Substituindo os valores numéricos, temos:

    $$
    \Delta S = (1\;g)(4,19\;J/g-2,22\;J/g) \ln \left(\frac{273\;K}{268\;K}\right) – \frac{(1\;g)(333\;J/g)}{273\;K}
    \tag{5}$$

    Resultando:

    $$
    \boxed{\Delta S = -1,18\;J/K}
    \tag{6}$$

    Perceba que o calor é removido, como dito no exercício para esse processo de super resfriamento.

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