Uma barra de ferro foi colocada no interior de um contêiner sob pressão constante de 1,0 atm. Esperou-se tempo suficiente para que o equilíbrio térmico entre a barra e o contêiner fosse alcançado e verificou-se que durante o processo o volume da barra aumentou 50 cm^3. Para o sistema sob estudo (barra de ferro):
a) Classifique as fronteiras do sistema sob estudo. Justifique sua resposta.
b) Classifique o sistema sob estudo em aberto, fechado ou isolado. Justifique sua resposta.
c) Calcule o trabalho de expansão/compressão realizado sobre o sistema durante o referido processo necessário para alcançar o equilíbrio térmico.
d) A barra poderia ser utilizada para construir um termômetro? Explique e diga em que lei da termodinâmica você se baseou para dar sua resposta. Enuncie esta lei.

Passo 1

Vamos resumir a questão: temos uma barra de ferro colocada em um contêiner sob pressão constante de 1,0 atm. Após atingir o equilíbrio térmico, o volume da barra aumentou 50 cm³. Vamos abordar quatro pontos: classificar as fronteiras do sistema, determinar se o sistema é aberto, fechado ou isolado, calcular o trabalho realizado durante a expansão e discutir se a barra pode ser usada como termômetro, baseando-nos nas leis da termodinâmica. Para resolver, precisaremos entender conceitos de sistema termodinâmico, tipos de sistemas (aberto, fechado, isolado), trabalho em processos termodinâmicos e leis da termodinâmica relacionadas à medição de temperatura.

Passo 2

a) Classificação das fronteiras do sistema
Primeiro, vamos entender o que são as fronteiras de um sistema. No contexto da termodinâmica, as fronteiras delimitam o que está sendo estudado (sistema) e o que está ao redor (ambiente).
No nosso caso, a barra de ferro está dentro de um contêiner. As fronteiras do sistema são as paredes do contêiner que envolvem a barra. Essas fronteiras podem permitir ou impedir a troca de energia e matéria entre o sistema e o ambiente.

Passo 3

b) Classificação do sistema: aberto, fechado ou isolado
Agora, vamos classificar o sistema. Existem três tipos principais:
  • Sistema aberto: troca tanto energia quanto matéria com o ambiente.
  • Sistema fechado: troca apenas energia, sem troca de matéria.
  • Sistema isolado: não troca nem energia nem matéria com o ambiente.
No nosso caso, a pressão é constante e a barra de ferro está aumentando de volume, o que sugere que há troca de energia (calor) com o ambiente para alcançar o equilíbrio térmico. Porém, não há menção à troca de matéria. Portanto, o sistema é fechado.

Passo 4

c) Cálculo do trabalho de expansão/compressão
Para calcular o trabalho realizado durante a expansão da barra, usamos a fórmula do trabalho em processos isotérmicos (temperatura constante) sob pressão constante:
W = P De
Onde:
  • $ W $ é o trabalho,
  • $ P $ é a pressão constante,
  • $ \Delta V $ é a variação de volume.
Dado que $ P = 1,0 , atm $ e $ \Delta V = 50 , cm^3 $, precisamos converter a pressão para unidades de trabalho padrão (por exemplo, Joules). Sabemos que:
W
Primeiro, convertendo o volume de cm³ para litros:
P
Agora, calculando o trabalho:
De
Convertendo para Joules:
P = 1,0 , atm
Arredondando:
De

Passo 5

d) A barra poderia ser utilizada para construir um termômetro?
Para determinar se a barra pode ser usada como termômetro, consideramos como a variação de volume está relacionada à temperatura. Segundo a Lei Zero da Termodinâmica, se dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terceiro sistema, então estão em equilíbrio térmico entre si. Isso implica que a temperatura é uma propriedade fundamental que pode ser medida.
No entanto, a expansão da barra de ferro com a variação de temperatura depende de propriedades específicas do material, como o coeficiente de expansão térmica. Embora seja possível medir a variação de volume com a temperatura, a precisão e a linearidade dessa relação podem não ser adequadas para a construção de um termômetro confiável sem calibração adequada.
Portanto, sim, a barra poderia ser utilizada para construir um termômetro, baseando-se na Lei Zero da Termodinâmica, que estabelece que a temperatura é uma propriedade que define o equilíbrio térmico.

Resposta

a) As fronteiras do sistema são as paredes do contêiner que envolvem a barra de ferro.
b) O sistema é fechado, pois troca apenas energia (calor) com o ambiente, sem troca de matéria.
c) O trabalho realizado durante a expansão é aproximadamente 5,07 Joules.
d) Sim, a barra poderia ser utilizada para construir um termômetro, baseando-se na Lei Zero da Termodinâmica, que estabelece que a temperatura é uma propriedade que define o equilíbrio térmico.

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