Duas barras de ferro de massas iguais ( 100 g cada) trocam calor entre si. Uma barra está inicialmente a
e a outra a
. Determinar a temperatura de equilíbrio, a quantidade de calor tocada entre as barras e a variação de entropia, admitindo:
a)
; b)
,
.
a)
Passo 1
Beleza, vamos lá! A gente tem duas barras de ferro com a mesma massa (100 g cada) que estão trocando calor. Uma delas está a
e a outra a
. Nosso objetivo é encontrar a temperatura de equilíbrio, a quantidade de calor que passou entre elas e a variação de entropia. Para isso, vamos usar conceitos de termodinâmica, principalmente a conservação de energia e as fórmulas de calor e entropia. Vamos precisar das massas, das temperaturas iniciais, e das capacidades calor específicas dadas nas partes a) e b).
Passo 2
Primeiro, vamos resolver a parte a) onde a capacidade calor específica é constante:
.
Temperatura de Equilíbrio (
):
Quando duas barras trocam calor até alcançarem a mesma temperatura, o calor perdido pela barra quente é igual ao calor ganho pela barra fria. A fórmula é:
Simplificando, como as massas e
são iguais:
Substituindo os valores:
Quantidade de Calor (
):
Usamos a fórmula do calor:
Para a barra quente:
Variação de Entropia (
):
A entropia muda quando há transferência de calor. A fórmula é:
Como as temperaturas estão em Celsius, vamos converter para Kelvin:
Para cada barra:
- Barra quente:
- Barra fria:
Variação total de Entropia:
Passo 3
Agora, vamos para a parte b) onde a capacidade calor específica varia com a temperatura:
.
Temperatura de Equilíbrio (
):
Aqui, a capacidade calor específica não é constante, então precisamos integrar para encontrar o equilíbrio. A condição de equilíbrio é que o calor ganho pela barra fria seja igual ao calor perdido pela barra quente:
Resolvendo a integral:
Simplificando e resolvendo para
, encontramos a temperatura de equilíbrio. Esse cálculo pode ser feito numericamente ou usando métodos iterativos, já que a equação é quadrática em
.
Quantidade de Calor (
):
Após encontrar
, usamos a mesma abordagem com a integral para calcular o calor trocado:
Variação de Entropia (
):
Com
determinado, a entropia muda usando:
Fazendo isso para ambas as barras e somando, temos a variação total de entropia.
Resposta
A temperatura de equilíbrio é
, a quantidade de calor trocada é
e a variação total de entropia é
para a parte a). Para a parte b), após calcular as integrais, obtemos a temperatura de equilíbrio, a quantidade de calor trocada e a variação de entropia correspondentes considerando a capacidade calor específica variável.