Termodinâmica - calculadora para resolver problemas de misturdas

Uma calculadora online para resolver problemas de equilíbrio termodinâmico, tais como encontrar a temperatura final quanto misturando fluidos, ou encontrar a temperatura requerida para um dos fluidos para alcançar a temperatura misturada final

Esta calculadora online consegue resolver problemas de equilíbrio termodinâmico, tais como encontrar a temperatura final quando misturando fluidos, ou encontrar a temperatura requerida para um dos fluidos para alcançar a temperatura misturada final. A única condição é que não deve haver qualquer transição de fase (ou mudança de fase) de substâncias. Para resolver o problema, ela utiliza a equação do equilíbrio termal, mais sobre isso abaixo.

Equação do equilíbrio termal

No processo de alcançar equilíbrio termodinâmico, o calor é transferido do objeto mais quente para o mais frio. Dois objetos estão em equilíbrio termal caso nenhum calor flua entre eles quando eles estiverem conectados por um caminho permeável ao calor, ou seja, ambos tenham a mesma temperatura. Isso é chamado de lei zero da termodinâmica. Um sistema é tido como em equilíbrio termal consigo mesmo se a temperatura dentro do sistema está espacialmente e temporalmente uniforme.

O sistema termodinâmico é chamado de sistema termalmente isolado se ele não troca energia de calor ou massa com seu ambiente. Na física, a lei de conservação de energia diz que a energia total de um sistema isolado em um dado molde de referência permanece constante - é dito ser conservado através do tempo.

A primeira lei da termodinâmica pode ser dita desta forma: durante uma interação entre um sistema e suas redondezas, o montante de energia ganha pelo sistema deve ser exatamente igual ao montante de energia perdida pelas redondezas. No caso de um sistema termalmente isolado, podemos dizer que durante uma interação entre objetos dentro de um sistema (até que ele alcance equilíbrio termal), o montante de energia ganha por um objeto deve ser exatamente igual ao montante de energia pedida pelo outro.

Q_{lost}=Q_{gained}

Esta é nossa equação do equilíbrio termal.

Esta é outra forma:
Q_1+Q_2+...+Q_n=0,
onde n - número de objetos no sistema.

Ou seja, a soma algébrica de todas as quantidades de calor (ganho ou perdido) em um sistema termalmente isolado é igual a zero.

Se substituirmos as quantidades de calor com a fórmula descrita aqui: Quantidade de calor, obteremos a seguinte equação:

c_1m_1(T_1-T_0_1)+c_2m_2(T_2-T_0_2)+...+c_nm_n(T_n-T_0_n)=0,
observe que a temperatura final para todas as substâncias (T1, T2, ... Tn) deve ser a mesma, por causa do equilíbrio termal.

Essa é a equação utilizada pela calculadora para encontrar o valor conhecido. Além disso, a calculadora pode considerar a quantidade de calor ganho ou perdido para as redondezas. Isso permite um mais amplo alcance de problemas a serem resolvidos.

Para utilizar a calculadora, voce precisa preencher corretamente a tabela descrevendo as substâncias interagentes. As instruções de utilização para diferentes cenários estão listadas abaixo da calculadora.

PLANETCALC, Solucionador de problemas de misturas termodinâmicas

Solucionador de problemas de misturas termodinâmicas

Substâncias misturadas

SubstânciaMassa, kgCalor específico, J/kg*CTemperatura inicial, CTemperatura final, C
Itens por página:

Você pode utilizar este campo para fornecer energia de calor (utilize o sinal de menos, porque ele é consumido pelo ambiente) conhecido adicionado ("fluindo para dentro") ou energia de calor (utilize o sinal de mais, porque é fornecido pelo ambiente) conhecido removido ("fluindo para fora"). Zero significa sistema isolado termicamente e ? (interrogação) significa valor desconhecido a ser computado.
Dígitos após o ponto decimal: 1
Quantidade desconhecida
 
Solução
 

Exemplo de problemas

Há um conjunto de problemas que podem ser resolvidos utilizando esta calculadora: temperatura final de fluidos misturados; temperatura requerida para um dos fluidos para alcançar temperatura misturada final; massa requerida para um dos fluidos para alcançar temperatura misturada final; calor específico desconhecido; quantidade requerida de calor, etc.

Aqui está como utilizar esta calculadora para diferentes tipos de problemas.

Exemplo 1

Um pedaço de prata de 600g a 85.0 ºC é colocado em 400g de água a 17.0 ºC em um calorímetro de latão de 200g. A temperatura final da água no calorímetro é 22.0 ºC. Qual é o calor específico da prata?

Como utilizar a calculadora:

  1. Limpar a tabela ao pressionar o botão Limpar tabela
  2. Adicionar as seguintes linhas:
Substância Massa, kg Calor específico, J/kg*C Temperatura inicial, C Temperatura final, C
Latão 0.2 380 17 22
Água 0.4 4200 17 22
Prata 0.6 ? 85 22

Preste atenção na interrogação na célula de calor específico da prata

  1. A calculadora resolve o problema e resulta a solução - calor específico: 232.3 J/(kg*C), que é bem próximo do valor de tabela para o calor específico da prata.

Exemplo 2

3kg de água a 20.0 ºC alcança ponto de ebulição e um vasilhame de alumínio de 1kg. O calor específico da água é 4200 J/(kgC), o calor específico do alumínio é 920 J/(kgC). Qual é a quantidade requerida de calor?

Como utilizar a calculadora:

  1. Limpar a tabela ao pressionar o botão Limpar tabela
  2. Adicionar as seguintes linhas:
Substância Massa, kg Calor específico, J/kg*C Temperatura inicial, C Temperatura final, C
Água 3 4200 20 100
Alumínio 1 920 20 100
  1. Insira ? (interrogação) no campo Calor.
  2. A calculadora resolve o problema e resulta a solução - calor: -1081600 Joules. Menos significa que os arredores perderam esse montante para ferver a água.

Exemplo 3

Um pedaço de 2kg de chumbo a 90.0 ºC é colocado em 1kg de água a 20.0 ºC em um calorímetro de cobre de 100g. Qual é a temperatura final da água (supondo que não há perda de calor no ambiente)?

Como utilizar a calculadora:

  1. Limpar a tabela ao pressionar o botão Limpar tabela
  2. Adicionar as seguintes linhas:
Substância Massa, kg Calor específico, J/kg*C Temperatura inicial, C Temperatura final, C
Cobre 0.1 390 20 ?
Água 1 4200 20 ?
Chumbo 2 130 90 ?

Preste atenção na interrogação nas células de temperatura final

  1. A calculadora resolve o problema e resulta a solução - temperatura final: 24.0 ºC

Tabela de calores específicos

Às vezes, um problema não lista os calores específicos para as substâncias envolvidas. Normalmente, você pode procurá-los em manuais, mas por facilidade, eu os listei abaixo.

Substância Calor específico, J/kg*C
Alumínio 880
Acetona 2180
Benzeno 1700
Bismuto 130
Água 4200
Glicerina 2400
Germânio 310
Ferro 457
Ouro 130
Potássio 760
Latão 380
Lítio 4400
Magnésio 1300
Cobre 390
Sódio 1300
Níquel 460
Estanho 230
Mercúrio 138
Chumbo 130
Prata 235
Álcool etílico 2430
Aço 460
Ferro fundido 500

Fontes:

URL copiado para a área de transferência
PLANETCALC, Termodinâmica - calculadora para resolver problemas de misturdas

Comentários