Sistema, Volume de Controle e Propriedades

Podemos identificar as diferenças entre os dois, através do entendimento das suas semelhanças. Afinal de contas, porque o sistema termodinâmico e o corpo livre merecem uma comparação?

O sistema termodinâmico e o corpo livre são parte de uma estratégia muito parecida de resolução de exercícios em física. Essa técnica envolve quatro etapas básicas:

1. Separação do universo em duas partes: o objeto que será estudado e todo o resto que interage de uma forma com esse objeto.
2. Identificação entre os tipos de interação entre o objeto e a sua vizinhança.
3. Identificação das características internas do meu objeto, que variam por causa dessas interações com o meio externo.
4. Aplicação de fórmulas que conectam as interações com essas características do objeto.

Apesar da trajetória de solução de problema ser muito parecida, cada um tem aspectos únicos.

Se quisermos estudar o movimento de um bloco, fazemos um desenho desse bloco com ele separado de todo os outros objetos ao seu redor. Essa imagem é chamada de diagrama do corpo livre. O copo livre é, então, o objeto de estudo da dinâmica.

Já, sistema é como é chamado nosso objeto de estudo na termodinâmica. Por exemplo, no caso de estudarmos o resfriamento do refrigerante que está dentro de uma latinha na geladeira, nosso sistema seria apenas a bebida.

Ou seja, os dois são objetos de estudo de áreas do conhecimento diferentes. O corpo livre é o objeto de estudo da dinâmica e o sistema é o objeto de estudo da termodinâmica. A maior diferença entre os dois está nos ramos da física em que eles estão inseridos.

Na termodinâmica, separamos o objeto de estudo do seu redor através de uma fronteira. Esse meio que cerca o sistema é chamado de vizinhança.

Depois de fazer a separação, identificamos e representamos as influências do ambiente em uma imagem, possuindo apenas nosso objeto de estudo.

Desta etapa, notamos outra diferença entre os dois: o corpo livre só interage com a vizinhança através de forças. Já a termodinâmica expande as possibilidades de interação para incluir o trabalho, o calor e a transferência de massa!

Como podemos medir de forma precisa os efeitos dessas interações sobre o objeto que estamos estudando?

Para descobrir a influência das forças sobre o movimento do corpo livre, verificamos alterações nos seus valores de posição, quantidade de movimento e massa. Ou seja, acompanhamos os valores das propriedades que são importantes pra sua dinâmica.

Na termodinâmica, é igualzinho! Só mudamos as características que medimos para avaliar os efeitos do calor, trabalho e fluxo de massa. Fazemos isso através das seguintes propriedades do sistema:

• , o volume.
• , a pressão.
• , a temperatura.
• , a massa específica. Calculada como a massa do objeto dividida pelo seu volume.
• , massa da substância.

As fórmulas, que aplicamos sobre o corpo livre para conectar o valor das forças com as propriedades de movimento do objeto são as leis de Newton.

Na termodinâmica, conectamos o valor das transferências de energia e massa com as propriedades do sistema através das leis de conservação de massa e energia.

O exercício pede primeiro para identificarmos a diferença entre duas classificações de sistemas: o sistema fechado e o volume de controle. Depois, o enunciado pede a explicação do motivo de precisarmos identificar o tipo de sistema no início da resolução de exercícios. Podemos, então, separar esses dois objetivos em duas etapas diferentes.

1. Explicar o que é um sistema termodinâmico.
2. Identificar a diferença entre duas classificações de sistemas.
3. Explicar a importância dessa identificação no início de um problema.

Sistema é como é chamado nosso objeto de estudo na termodinâmica. Por exemplo, no caso de estudarmos o resfriamento do refrigerante que está dentro de uma latinha na geladeira, nosso sistema seria apenas a bebida.

Ou seja, precisamos posicionar nossa fronteira de uma forma que ela englobe apenas a região que queremos estudar. Como queremos saber como a bebida resfria, englobamos apenas o líquido. Isso é importante, porque assim conseguimos identificar as interações com a vizinhança sobre a fronteira que afetam exclusivamente o refrigerante. No caso, essa interação seria a perda de calor da bebida para o ar frio.

Existem dois tipos de sistema: o sistema fechado e o volume de controle. A diferença entre os dois está nas suas fronteiras. Isso determina como eles interagem com as suas vizinhanças.

Ou seja, os dois são diferentes, porque interagem de formas diferentes com sua vizinhança. Por isso, precisamos entender como essas duas opções podem interagir com o que está ao redor.

Na termodinâmica, existem três tipos principais de interação entre o sistema estudado e o ambiente ao redor:

• O calor, que é o tipo de transferência de entre dois objetos de temperaturas diferentes.
• O trabalho, que é o tipo de transferência de energia que ocorre, quando o sistema gera movimento no ambiente ou quando o ambiente gera movimento no sistema.
• O fluxo de massa, que é massa entrando e saindo do sistema.

Um sistema fechado só interage com a sua vizinhança por meio de trabalho e calor. Ele não deixa massa sair ou entrar.

O volume de controle pode interagir das três formas com seu ambiente. Essa é a diferença entre ele e o sistema fechado. Ele permite entrada e saída de massa através de sua fronteira.

A classificação de sistemas é importante, porque é o primeiro passo na resolução de exercícios de termodinâmica. É através dessa fase, que identificaremos quais fórmulas usaremos nas próximas etapas. Ou seja, aplicaremos fórmulas diferentes para sistemas diferentes!

As equações aplicadas em volumes de controle serão mais complexas do que as expressões de sistema fechado, já que elas devem incluir os efeitos de mais uma forma de interação: o fluxo de massa através da fronteira.

Podemos visualizar esse fato, quando analisarmos equipamentos que troquem massa com seu ambiente ao redor.

O exercício quer saber que tipo de sistema é mais adequado para descrever o comportamento de uma lata de refrigerante na geladeira.

Sistema é como é chamado nosso objeto de estudo. Nesse exercício, nosso sistema é a latinha. Estamos estudando como ela se comporta sobre as influências da geladeira.

Existem dois tipos de sistema: o sistema fechado e o volume de controle.

A diferença entre os dois está nas suas fronteiras. Isso determina como eles interagem com as suas vizinhanças.

Ou seja, os dois são diferentes, porque interagem de formas diferentes com sua vizinhança.

1. Por isso, o primeiro passo para descobrir qual tipo de sistema é mais parecido com a latinha, é entender como essas duas opções podem interagir com o que está ao redor.
2. O segundo passo é definir, como uma latinha fechada interage com a geladeira.
3. O último passo é escolher qual tipo de sistema é mais parecido com a latinha.

Na termodinâmica, existem três tipos mais comuns de interação entre o sistema estudado e o ambiente ao redor:

• O calor, que é o tipo de transferência de entre dois objetos de temperaturas diferentes.
• O trabalho, que é o tipo de transferência de energia que ocorre, quando o sistema gera movimento no ambiente ou quando o ambiente gera movimento no sistema.
• O fluxo de massa, que é massa entrando e saindo do sistema.

Um sistema fechado só interage com a sua vizinhança por meio de trabalho e calor. Ele não deixa massa sair ou entrar.

O volume de controle pode interagir das três formas com seu ambiente. Essa é a diferença entre ele e o sistema fechado. Ele permite entrada e saída de massa através de sua fronteira.

Agora vamos verificar de quais formas a latinha fechada pode interagir com o ar frio da geladeira.

1. A fronteira do sistema (metal da latinha) permite transferência de energia por calor entre o refrigerante e o ar gelado. Por isso, a bebida à temperatura ambiente perde energia por calor pro ar mais frio.
2. A latinha fica parada dentro da geladeira. Ela não realiza trabalho no ar, nem recebe trabalho da sua vizinhança.
3. A lata permanece fechada enquanto resfria. Ou seja, nenhuma massa pode entrar ou sair da fronteira.

Vimos que a fronteira do nosso sistema não permite a passagem de massa. Por causa disso, o comportamento da latinha dentro da geladeira é melhor aproximado pelo tipo de sistema que também impede esse fluxo: o sistema fechado.

O exercício quer saber que tipo de sistema é mais adequado para descrever o comportamento de um radiador de automóvel em funcionamento.

Sistema é como é chamada a região no espaço delimitada pela fronteira. Nesse exercício, posicionamos nossa fronteira sobre a superfície externa dos tubos metálicos para definir nosso sistema como o próprio radiador. Estamos estudando como ele se comporta durante a troca de calor com o ar ambiente.

Existem dois tipos de sistema: o sistema fechado e o volume de controle.

A diferença entre os dois está nas suas fronteiras. Isso determina como eles interagem com as suas vizinhanças.

Ou seja, os dois são diferentes, porque interagem de formas diferentes com sua vizinhança.

1. Por isso, o primeiro passo para descobrir qual tipo de sistema é mais parecido com o radiador, é entender como essas duas opções podem interagir com o que está ao redor.
2. O segundo passo é definir, como um radiador interage com o fluxo de ar, entendendo como ele opera.
3. O último passo é escolher qual tipo de sistema é mais parecido com o radiador.

Na termodinâmica, existem três tipos mais comuns de interação entre o sistema estudado e o ambiente ao redor:

• O calor, que é o tipo de transferência de entre dois objetos de temperaturas diferentes.
• O trabalho, que é o tipo de transferência de energia que ocorre, quando o sistema gera movimento no ambiente ou quando o ambiente gera movimento no sistema.
• O fluxo de massa, que é massa entrando e saindo do sistema.

Um sistema fechado só interage com a sua vizinhança por meio de trabalho e calor. Ele não deixa massa sair ou entrar.

O volume de controle pode interagir das três formas com seu ambiente. Essa é a diferença entre ele e o sistema fechado. Ele permite entrada e saída de massa através de sua fronteira.

A água que circula pelo motor de um carro absorve seu calor. A função do radiador é permitir que a água libere essa energia térmica para o ar ambiente através da troca de calor nos tubos e que ela retorne ao motor resfriada, completando um ciclo.

Agora vamos verificar de quais formas o radiador pode interagir com o ar ambiente.

1. A fronteira do sistema (superfície externa dos tubos metálicos) permite transferência de energia por calor entre a água e o ar ambiente. Por isso, a água quente perde energia por calor pro ar mais frio. Então há interação por calor!
2. O radiador não realiza trabalho no ar, nem recebe trabalho da sua vizinhança.
3. A água circula através do radiador, portanto há entrada e saída de água através da fronteira do sistema.

Vimos que a fronteira do nosso sistema permite o fluxo de água. Por causa disso, o comportamento do radiador em funcionamento é melhor aproximado pelo tipo de sistema que também permite essa interação: o volume de controle.

O exercício pede que verifiquemos se cada uma das variáveis apresentadas é uma propriedade termodinâmica. Para cumpir esse objetivo, colocaremos em prática um passo a passo. Para saber se a variável é uma propriedade termodinâmica, faremos duas perguntas em sequência:

A termodinâmica é a ciência que faz a conexão entre as interações de trabalho, calor e fluxo de massa atravessando a fronteira e as transformações internas do sistema. Essas transformações são medidas por variações nos valores de suas propriedades termodinâmicas.

Então, o primeiro teste pelo qual a variável deve passar é saber se ela é relevante na descrição dessas mudanças de estados termodinâmicos.

As variáveis de velocidade, de aceleração, de tempo e de força são utilizadas comumente para descrever o movimento de um objeto. Ou seja, são variáveis da dinâmica dos corpos, não da termodinâmica. Todas pertencem ao terceiro grupo do enunciado.

Cada uma das variáveis de pressão , de temperatura são essenciais pra termodinâmica, porque estão conectadas com um tipo de equilíbrio. A igualdade de temperatura em todos os pontos do sistema indica equilíbrio térmico.

A igualdade de pressão em todos os pontos do sistema indica equilíbrio mecânico, quando desprezamos os efeitos da gravidade sobre o sistema.

As variáveis de volume e de massa também são relevantes para a termodinâmica, porque medem o tamanho do meu sistema. Isso é fundamental, porque sabemos que para esquentar ou de água precisamos de menos energia do que se tentarmos esquentar ou dela.

Ou seja, a quantidade de substância influencia na quantidade de energia que precisamos transferir através da fronteira pra provocar uma mudança no sistema.

Como a massa específica é calculada como a razão entre massa e volume de um objeto, ela também é básica às análises termodinâmicas.

Qual a importância do passado do sistema na medição dos valores de , , , , do sistema no presente? Nenhuma!

Não conhecer a trajetória que o sistema fez antes de chegar no estado do sistema que estamos estudando, não nos impede de medir esses valores no presente.

Por isso, todas essas variáveis são propriedades termodinâmicas do sistema.

O problema pede pra gente resolver duas questões muito comuns em exercícios de termodinâmica:

1. A primeira é definir o que a fronteira do sistema deve incuir. Nesse caso: devemos incluir o cilindro e o êmbolo? Ou ela deve apenas incluir o ar no interior do conjunto?
2. A segunda perceber se a fronteira permite o sistema aumentar ou diminuir seu volume durante o aquecimento.

Vamos dividir a solução dessa questão nessas duas etapas.

O enunciado deixa muito claro que estamos interessados em estudar apenas os efeitos do aquecimento sobre o ar presente no conjunto cilindro-pistão. Por isso, nossa estratégia deve ser escolher uma fronteira que inclua todo o gás, sem incluir o cilindro.

Se a fronteira incluir o cilindro ou o êmbolo, estudaríamos a soma dos efeitos do aquecimento sobre o ar e o metal dessas partes. Portanto, as superfícies da fronteria estão localizadas sobre as superfícies internas do cilindro e do êmbolo. Assim conseguimos incluir todo ar, sem incluir o metal do cilindro e do êmbolo.

A segunda etapa é para saber se essa fronteira escolhida permite o sistema aumentar ou diminuir seu volume. Em exercícios comuns com cilindro e pistão o êmbolo pode se mover. Nesses casos, a fronteira seria móvel, porque está localizada sobre a superfície interna do êmbolo. Ou seja, quando o êmbolo se move, ela se move também.

Mas essa questão restringe totalmente o movimento do êmbolo com dois pinos. Isso impede o êmbolo de se mover. Em outras palavras, nesse exercício a fronteira é fixa.

O enunciado coloca a gente para pensar sobre a seguinte questão: que tipo de sistema escolhemos, quando estamos estudando um equipamento que em duas etapas têm fluxo de de ar entrando e saindo da fronteira e em uma etapa essa troca de massa com o ambiente não ocorre? Eu digo que esse sistema é um volume de controle ou um sistema fechado?

Ao invés de dar uma resposta única à todas as etapas de operação do conjunto cilindro-pistão, podemos dividir o problema em:

1. Saber o tipo de sistema, quando existe fluxo de massa atravessando a fronteira.
2. Saber o tipo de sistema, quando não é permitido o fluxo de massa através da fronteira.

As duas etapas, que têm fluxo de massa cruzando a fronteira, são as etapas que têm uma de suas válvulas aberta:

1. A admissão de ar, com entrada de ar pela abertura da válvula 1
2. A exaustão de ar, com saída de ar pela abertura da válvula 2

Nessas duas etapas, podemos considerar o conteúdo de gás, que está dentro do equipamento, como nosso sistema. Nesses dois casos o sistema é um volume de controle, porque a fronteira permite o ar passar por ela.

A etapas, que não tem fluxo de massa cruzando a fronteira, é a etapa com as duas válvulas fechadas: a compressão de ar.

Durante ela, se considerarmos o conteúdo de gás, que está dentro do equipamento, como nosso sistema, a fronteira não permite passagem de ar por ela.

Ou seja, o sistema é um sistema fechado.

Falamos que a termodinâmica é a ciência que estuda os efeitos dos fluxos de trabalho, calor e massa (entre um sistema e sua vizinhança) sobre as propriedades de um sistema. Por isso, o enunciado coloca a gente pra pensar sobre a seguinte questão: existe a possibilidade das propriedades de um sistema isolado variarem, se ele não interage com o ambiente?

A resposta pode ser dada se pensarmos em duas possibilidades:

1. Os valores de pressão e temperatura variam de ponto a ponto no gás.
2. Os valores de pressão e temperatura são iguais para todos os pontos no gás.

Podemos discutir cada uma dessas duas hipóteses como uma etapa da nossa resposta.

Vamos imaginar primeiro, que os valores de pressão e temperatura variam de ponto a ponto no sistema.

Se existe uma diferença de temperatura entre dois pontos, sabemos que o ponto mais quente vai esfriar e o ponto mais frio vai esquentar, até essas temperaturas se igualarem.

Da mesma forma, se existe uma diferença de pressão entre dois pontos, sabemos que as molécular do ponto com maior pressão vão caminhar para o ponto de menor pressão, até as pressões se igualarem.

Ou seja, caso haja variação nas propriedades entre um ponto e outro, vai existir uma mudança desses valores, até eles se equilibrarem.

Por isso, mesmo com o sistema não interagindo com o ambiente, pode haver nas suas propriedades.

Agora vamos imaginar, que os valores de pressão e temperatura são iguais para todos os pontos do sistema.

Se esses valores são todos iguais, o sistema já está equilibrado internamente.

Se ele já está em equilíbrio, que tipo de mudança de propriedade pode ocorrer? Nenhuma!

Esse caso é bem parecido com um corpo em inércia. Se não existe força resultante sobre ele, como sua velocidade vai mudar?