Enunciado
Termodinâmica - Çengel - Termodinâmica - Ed: 7º - Capítulo 4.Problemas - Ex. 148
Um arranjo pistão-cilindro vertical, com 12 cm de diâmetro, contém um gás ideal nas condições ambientes de 1 bar e 24 °C. Inicialmente, a face interna do pistão está a 20 cm da base do cilindro. Um eixo externo conectado ao pistão exerce uma força correspondente a uma realização de trabalho de fronteira de 0,1 kJ. A temperatura do gás permanece constante durante o processo. Determine (a) a quantidade de calor transferido, (b) a pressão final no cilindro e (c) o deslocamento do pistão.
Passo 1
Bom, primeiro definimos o cilindro como o sistema a ser analisado. Para esse sistema, a equação de balanço de energia pode ser escrita como:
Como , a variação de energia interna do sistema é nula. Assim, a equação de balanço de energia fica:
Como o trabalho que entra é igual ao trabalho exercido pelo eixo externo sobre o pistão, temos que quantidade de calor transferido é:
Passo 2
Para determinar a pressão final no cilindro, primeiro precisamos calcular o volume inicial e final do processo, e assim utilizar as relações isotérmicas de pressão e volume. O volume inicial é igual ao volume do cilindro:
O volume final pode ser obtido através do trabalho de fronteira por meio de (o sinal negativo é uma referência de que trabalho que entra é negativo):
Então, a pressão final será:
Passo 3
Para calcular o deslocamento do pistão, calculamos a posição final utilizando a definição de área do cilindro e subtraímos da posição inicial: