2. A energia interna de um gás perfeito (gás ideal) tem dependência somente com a temperatura. O gráfico que melhor qualifica essa dependência é:

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1 1. De acordo com dados de um fabricante de fogões, uma panela com 2,2 litros de água à temperatura ambiente chega a 90 C em pouco mais de seis minutos em um fogão elétrico. O mesmo teste foi feito em um fogão convencional, a GLP, sendo necessários 11,5 minutos. Sobre a água aquecida, é correto afirmar que: a) adquiriu mais energia térmica no fogão convencional. b) adquiriu mais energia térmica no fogão elétrico. c) ganha a mesma energia térmica para atingir 90 C nas duas experiências. d) nos dois experimentos o ganho de energia térmica não depende da variação de temperatura sofrida. 2. A energia interna de um gás perfeito (gás ideal) tem dependência somente com a temperatura. O gráfico que melhor qualifica essa dependência é: a) b) c) d) 3. Ondas sonoras se propagam longitudinalmente no interior dos gases a partir de sucessivas e rápidas compressões e expansões do fluido. No ar, esses processos podem ser considerados como transformações adiabáticas, principalmente devido à rapidez com que ocorrem e também à baixa condutividade térmica deste meio. Por aproximação, considerandose que o ar se comporte como um gás ideal, a energia interna de uma determinada massa de ar sofrendo compressão adiabática ; portanto, o trocado com as vizinhanças da massa de ar seria responsável pela transferência de energia. a) diminuiria calor b) diminuiria trabalho c) não variaria trabalho d) aumentaria calor e) aumentaria trabalho

2 4. No estudo da termodinâmica dos gases perfeitos, são parâmetros básicos as grandezas físicas quantidade de calor (Q), trabalho (W) e energia interna (U), associadas às transformações que um gás perfeito pode sofrer. Analise as seguintes afirmativas referentes às transformações termodinâmicas em um gás perfeito: I. Quando determinada massa de gás perfeito sofre uma transformação adiabática, o trabalho (W) que o sistema troca com o meio externo é nulo. II. Quando determinada massa de gás perfeito sofre uma transformação isotérmica, a variação da energia interna é nula ( U 0). III. Quando determinada massa de gás perfeito sofre uma transformação isométrica, a variação da energia interna ( U) sofrida pelo sistema é igual a quantidade de calor (Q) trocado com o meio externo. Está (ão) correta (s) apenas a(s) afirmativa (s): a) I. b) III. c) I e II. d) II e III. 5. Uma máquina térmica ideal opera em um ciclo termodinâmico diferente do ciclo de Carnot. Se essa máquina térmica operar entre as temperaturas de 27 C e 477 C, fornecendo trabalho através do calor gerado na fonte quente, sua eficiência será: a) Menor do que se a máquina operasse com base no ciclo de Carnot. b) De 60%. c) A porcentagem do calor que chega à fonte fria. d) De 75%. e) A razão entre os calores das fontes fria e quente. 6. Um dispositivo mecânico usado para medir o equivalente mecânico do calor recebe 250 J de energia mecânica e agita, por meio de pás, 100 g de água que acabam por sofrer elevação de 0,50 C de sua temperatura. Adote 1cal 4,2 J e cágua 1,0 cal g C. O rendimento do dispositivo nesse processo de aquecimento é de: a) 16%. b) 19%. c) 67%. d) 81%. e) 84%. 7. Um cilindro adiabático vertical foi dividido em duas partes por um êmbolo de 6,0 kg de massa que pode deslizar sem atrito. Na parte superior, fez-se vácuo e na inferior foram colocados 2 mols de um gás ideal monoatômico. Um resistor de resistência elétrica ôhmica R igual a 1Ω é colocado no interior do gás e ligado a um gerador elétrico que fornece uma corrente elétrica i, constante, de 400 ma, conforme ilustrado na figura abaixo.

3 Fechando-se a chave Ch durante 12,5 min, o êmbolo desloca-se 80 cm numa expansão isobárica de um estado de equilíbrio para outro. Nessas condições, a variação da temperatura do gás foi, em C, de: a) 1,0 b) 2,0 c) 3,0 d) 5,0 TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: A vida em grandes metrópoles apresenta atributos que consideramos sinônimos de progresso, como facilidades de acesso aos bens de consumo, oportunidades de trabalho, lazer, serviços, educação, saúde etc. Por outro lado, em algumas delas, devido à grandiosidade dessas cidades e aos milhões de cidadãos que ali moram, existem muito mais problemas do que benefícios. Seus habitantes sabem como são complicados o trânsito, a segurança pública, a poluição, os problemas ambientais, a habitação etc. Sem dúvida, são desafios que exigem muito esforço não só dos governantes, mas também de todas as pessoas que vivem nesses lugares. Essas cidades convivem ao mesmo tempo com a ordem e o caos, com a pobreza e a riqueza, com a beleza e a feiura. A tendência das coisas de se desordenarem espontaneamente é uma característica fundamental da natureza. Para que ocorra a organização, é necessária alguma ação que restabeleça a ordem. É o que acontece nas grandes cidades: despoluir um rio, melhorar a condição de vida dos seus habitantes e diminuir a violência, por exemplo, são tarefas que exigem muito trabalho e não acontecem espontaneamente. Se não houver qualquer ação nesse sentido, a tendência é que prevaleça a desorganização. Em nosso cotidiano, percebemos que é mais fácil deixarmos as coisas desorganizadas do que em ordem. A ordem tem seu preço. Portanto, percebemos que há um embate constante na manutenção da vida e do universo contra a desordem. A luta contra a desorganização é travada a cada momento por nós. Por exemplo, desde o momento da nossa concepção, a partir da fecundação do óvulo pelo espermatozoide, nosso organismo vai se desenvolvendo e ficando mais complexo. Partimos de uma única célula e chegamos à fase adulta com trilhões delas, especializadas para determinadas funções. Entretanto, com o passar dos anos, envelhecemos e nosso corpo não consegue mais funcionar adequadamente, ocorre uma falha fatal e morremos. O que se observa na natureza é que a manutenção da ordem é fruto da ação das forças fundamentais, que, ao interagirem com a matéria, permitem que esta se organize. Desde a formação do nosso planeta, há cerca de 5 bilhões de anos, a vida somente conseguiu se desenvolver às custas de transformar a energia recebida pelo Sol em uma forma útil, ou seja, capaz de manter a organização. Para tal, pagamos um preço alto: grande parte dessa energia é perdida, principalmente na forma de calor. Dessa forma, para que existamos, pagamos o preço de aumentar a desorganização do nosso planeta. Quando o Sol não puder mais fornecer essa energia, dentro de mais 5 bilhões de anos, não existirá mais vida na Terra. Com certeza a espécie humana já terá sido extinta muito antes disso. 8. Considerando a afirmação presente no texto a tendência das coisas de se desordenarem espontaneamente é uma característica fundamental da natureza, e com base nos

4 conhecimentos sobre as leis da termodinâmica, assinale a alternativa correta. a) Quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato, ocorre a transferência espontânea de calor do corpo mais quente para o mais frio. b) O calor, gerado por um motor a explosão, pode ser convertido de maneira espontânea e integralmente em energia mecânica, elétrica, química ou nuclear. c) O nitrogênio e o hélio misturados e contidos em um recipiente se separam de modo espontâneo após o equilíbrio térmico do sistema. d) Uma máquina térmica perfeita opera, na prática, em ciclos, converte o calor integralmente em trabalho e é capaz de funcionar como um motoperpétuo. e) As moléculas de tinta que tingem uma porção de água de maneira homogênea tendem a se agrupar espontaneamente e com isso restaurar a gota de tinta original. 9. Num sistema termodinâmico um gás ideal, ao receber 300J do meio externo, realiza um trabalho de 200J. É correto afirmar que: a) a transformação é adiabática. b) a temperatura do sistema aumentou. c) o volume do gás permanece constante. d) a variação de energia interna é negativa. 10. O gráfico representa um ciclo termodinâmico: Os trabalhos realizados nas transformações AB, BC, CD e DA são, respectivamente: a) Negativo, nulo, positivo e nulo. b) Positivo, nulo, negativo e nulo. c) Positivo, negativo, nulo e positivo. d) Negativo, negativo, nulo e positivo. 11. O ar atmosférico pode ser utilizado para armazenar o excedente de energia gerada no sistema elétrico, diminuindo seu desperdício, por meio do seguinte processo: água e gás carbônico são inicialmente removidos do ar atmosférico e a massa de ar restante é resfriada até 198 C. Presente na proporção de 78% dessa massa de ar, o nitrogênio gasoso é liquefeito, ocupando um volume 700 vezes menor. A energia excedente do sistema elétrico é utilizada nesse processo, sendo parcialmente recuperada quando o nitrogênio líquido, exposto à temperatura ambiente, entra em ebulição e se expande, fazendo girar turbinas que convertem energia mecânica em energia elétrica. No processo descrito, o excedente de energia elétrica é armazenado pela: a) expansão do nitrogênio durante a ebulição. b) absorção de calor pelo nitrogênio durante a ebulição. c) realização de trabalho sobre o nitrogênio durante a liquefação. d) retirada de água e gás carbônico da atmosfera antes do resfriamento. e) liberação de calor do nitrogênio para a vizinhança durante a liquefação. 12. Um gás ideal é submetido a um processo termodinâmico ABCD, conforme ilustra a figura a seguir.

5 Sabendo que o trabalho total associado a esse processo é igual a 1050 J, qual o trabalho no subprocesso BCD? a) 60 J b) 340 J c) 650 J d) 840 J e) 990 J 13. Na tabela abaixo, E H e 2 E O e 2 V H e 2 V O são, respectivamente, as energias cinéticas 2 médias e as velocidades médias das moléculas de uma amostra de gás H 2 e de outra, de gás O 2, ambas em temperatura de 27 C. Gás Temperatura ( C) Energia cinética média Velocidade média H 2 27 H2 O 2 27 E O2 E V H 2 V O 2 Assinale a alternativa que relaciona corretamente os valores das energias cinéticas médias e das velocidades médias das moléculas de H 2 e de O 2. a) EH E 2 O e V 2 H V 2 O. 2 b) EH EO e VH V O. c) EH d) EH e) EH O2 2 2 E e V V. 2 O2 H2 O2 E e V V. 2 O2 H2 O2 E e V V. H3 O2 14. O físico e engenheiro francês Nicolas Léonard Sadi Carnot ( ), em seu trabalho Reflexões sobre a potência motriz do fogo, concluiu que as máquinas térmicas ideais podem atingir um rendimento máximo por meio de uma sequência específica de transformações gasosas que resultam num ciclo denominado de ciclo de Carnot, conforme ilustra a figura a seguir.

6 A partir das informações do ciclo de Carnot sobre uma massa de gás, conforme mostrado no gráfico p V, analise as alternativas a seguir. I. Ao iniciar o ciclo (expansão isotérmica 1 2), a variação de energia interna do gás é igual a Q Q e o trabalho é positivo (W 0). II. Na segunda etapa do ciclo (expansão adiabática 2 3) não há troca de calor, embora o gás sofra um resfriamento, pois ΔU W. III. Na compressão adiabática 4 1, última etapa do ciclo, o trabalho realizado sobre o gás corresponde à variação de energia interna dessa etapa e há um aquecimento, ou seja, ΔU W. IV. O trabalho útil realizado pela máquina térmica no ciclo de Carnot é igual à área A ou, de outro modo, dado por : τ QQ Q F. V. O rendimento da máquina térmica ideal pode atingir até 100 %, pois o calor Q F pode ser nulo o que não contraria a segunda lei da termodinâmica. Estão CORRETAS apenas as alternativas: a) I, II e IV. b) I, II e III. c) II, III e IV. d) II, III e V. e) III, IV e V. 15. Certa quantidade de gás sofre três transformações sucessivas, A B, B C e C A, conforme o diagrama p V apresentado na figura abaixo. A respeito dessas transformações, afirmou-se o seguinte: I. O trabalho total realizado no ciclo ABCA é nulo. II. A energia interna do gás no estado C é maior que no estado A. III. Durante a transformação A B, o gás recebe calor e realiza trabalho. Está correto o que se afirma em: a) I. b) II. c) III. d) I e II.

7 e) II e III. 16. Analise as proposições com relação às leis da termodinâmica. I. A variação da energia interna de um sistema termodinâmico é igual à soma da energia na forma de calor fornecida ao sistema e do trabalho realizado sobre o sistema. II. Um sistema termodinâmico isolado e fechado aumenta continuamente sua energia interna. III. É impossível realizar um processo termodinâmico cujo único efeito seja a transferência de energia térmica de um sistema de menor temperatura para um sistema de maior temperatura. Assinale a alternativa correta. a) Somente as afirmativas I e II são verdadeiras. b) Somente as afirmativas II e III são verdadeiras. c) Somente as afirmativas I e III são verdadeiras. d) Somente a afirmativa II é verdadeira. e) Todas afirmativas são verdadeiras. 17. Em um laboratório de física são realizados experimentos com um gás que, para fins de análises termodinâmicas, pode ser considerado um gás ideal. Da análise de um dos experimentos, em que o gás foi submetido a um processo termodinâmico, concluiu-se que todo calor fornecido ao gás foi convertido em trabalho. Assinale a alternativa que representa corretamente o processo termodinâmico realizado no experimento. a) processo isovolumétrico b) processo isotérmico c) processo isobárico d) processo adiabático e) processo composto: isobárico e isovolumétrico 18. Um rio sempre corre de uma parte mais alta para uma mais baixa. Suas águas perdem energia potencial gravitacional e ganham energia cinética. Parte dessa energia cinética transforma-se em energia térmica. Um dia escrevi que com as perdas só há um jeito: perdêlas. Os processos de transformação de energia são estudados pelas leis da Termodinâmica. Sobre esses processos de transformação, são feitas três afirmações: Situação 1: 100 J de energia cinética são transformados em 100 J de energia térmica. Situação 2: 100 J de energia potencial gravitacional são transformados em 80 J de energia cinética e 20 J de energia térmica. Situação 3: 100 J de energia térmica são transformados em 100 J de energia cinética. Das 3 situações, viola (violam) a Segunda Lei da Termodinâmica: a) apenas a situação 1. b) apenas a situação 2. c) apenas a situação 3. d) as três situações. 19. Podemos considerar como máquina térmica qualquer dispositivo que receba uma quantidade de calor Q1 e converta parte da energia recebida dessa maneira em trabalho mecânico W. O calor não aproveitado, chamado Q2 Q1 W, é devolvido ao ambiente sem ser aproveitado. Em relação a essas trocas de calor, definimos como eficiência de uma máquina térmica a razão entre o trabalho mecânico W produzido e a quantidade de calor Q1 entregue à máquina. Em particular, considere uma máquina térmica que opera entre as temperaturas 300 K e 1200 K. Sobre as informações acima descritas, assinale a alternativa INCORRETA. a) Todas as máquinas térmicas devem satisfazer igualmente a primeira e a segunda lei da termodinâmica. b) A eficiência máxima de uma máquina térmica que opere entre as temperaturas citadas é de 75%. c) Diminuindo pela metade as temperaturas citadas, o rendimento máximo de uma máquina térmica que opere entre essas temperaturas não é alterado.

8 d) Com a tecnologia moderna, é possível construir uma máquina térmica que opere entre as temperaturas citadas com rendimento superior a 75%. e) Devido à segunda lei da termodinâmica, é impossível construir um dispositivo cujo único efeito seja converter calor integralmente em trabalho. 20. Uma das maneiras de se obter sal de cozinha é a sua extração a partir de sítios subterrâneos. Para a realização de muitas das tarefas de mineração, são utilizadas máquinas térmicas, que podem funcionar, por exemplo, como motores para locomotivas, bombas de água e ar e refrigeradores. A respeito das propriedades termodinâmicas das maquinas térmicas, qual das alternativas é INCORRETA? a) O rendimento de uma máquina térmica funcionando como motor será máximo quando a maior parte da energia retirada da fonte quente for rejeitada, transferindo-se para a fonte fria. b) Uma máquina térmica funcionando como refrigerador transfere energia de uma fonte fria para uma fonte quente mediante realização de trabalho. c) Máquinas térmicas necessitam de duas fontes térmicas com temperaturas diferentes para operar. d) Dentre as consequências da segunda lei da termodinâmica, está a impossibilidade de se construir uma máquina térmica com rendimento de 100%. e) Todas as etapas de uma máquina térmica operando no ciclo de Carnot são reversíveis. 21. Leia o texto e as afirmativas que seguem. As principais partes de um refrigerador doméstico são o congelador, o condensador e o compressor, sendo que essas duas últimas peças estão localizadas na parte externa do aparelho. O funcionamento do refrigerador depende da circulação de um fluido refrigerante impulsionado pelo compressor. Durante o ciclo termodinâmico, o fluido sofre transformações nas variáveis estado, pressão e temperatura, o que determina o resfriamento no interior do aparelho, levando para fora a energia oriunda dos alimentos refrigerados. Em relação a essas transformações, considere as seguintes afirmativas: I. No congelador, a pressão do gás diminui, e sua temperatura se eleva com a absorção de energia. II. No congelador, a pressão do gás aumenta, e sua temperatura diminui com a liberação de energia. III. No condensador, a pressão do gás é maior do que no congelador, e sua temperatura diminui com a liberação de energia. IV. No condensador, a pressão do gás diminui, e sua temperatura aumenta. Estão corretas apenas as afirmativas: a) I e III. b) I e IV. c) II e III. d) II e IV. e) II, III e IV. 22. Analise a figura abaixo, que representa transformações termodinâmicas às quais um gás ideal está submetido, e complete as lacunas do texto que segue. De acordo com o gráfico, a temperatura do gás no estado A é do que a do estado B. A transformação BC é, e o trabalho envolvido na transformação CD é

9 do que zero. a) maior isobárica maior b) menor isométrica maior c) menor isobárica menor d) maior isométrica menor e) menor isobárica maior 23. O gráfico ilustra o comportamento das pressões (p), em função dos volumes (V), em duas transformações consecutivas, AB e BC sofridas por certa massa de gás encerrada em um recipiente dotado de êmbolo, como o cilindro de um motor à explosão. Sabe-se que há uma relação entre os volumes ocupados pelo gás na transformação AB(VA 2 V B), e também entre as pressões (pc 2pB 4 p A ). É correto afirmar que as transformações AB e BC pelas quais o gás passou foram, respectivamente: a) isotérmica e isométrica. b) isotérmica e isobárica. c) adiabática e isométrica. d) adiabática e isobárica. e) isométrica e isotérmica. 24. Uma amostra de gás ideal sofre uma transformação termodinâmica entre dois estados A e B. As características dessa transformação estão indicadas nos gráficos do Volume (V) em função da Temperatura Absoluta (T) e da Pressão (P) em função do Volume (V), representados a seguir. Analise as seguintes afirmativas referentes à transformação termodinâmica entre os estados A e B: I. A transformação é Isobárica. II. O Volume (V) e a Temperatura Absoluta (T) são diretamente proporcionais. III. O Trabalho Total realizado pelo sistema é nulo. IV. A Energia Interna da amostra permanece constante. Está(ão) correta(s) apenas a(s) afirmativa(s): a) I. b) I e II. c) II e IV.

10 d) III e IV. 25. No gráfico temos a representação da pressão "P" em função do volume " V" para uma massa de gás perfeito. As sucessivas transformações gasosas representadas no gráfico ao lado: A B; B C e C A, são, respectivamente: a) isocórica, isobárica e isotérmica. b) isobárica, isocórica e isotérmica. c) isotérmica, isobárica e isocórica. d) isocórica, isotérmica e isobárica. 26. Em um motor de carro convencional a primeira transformação de energia em trabalho ocorre dentro do cilindro que aloja o pistão. De modo simplificado, pode-se entender esse sistema como um cilindro fechado contendo um êmbolo móvel, que é o pistão. Em um dado instante a mistura ar e combustível sofre combustão forçando os gases resultantes dessa queima a sofrerem expansão, movimentando o pistão ao longo do eixo do cilindro. É correto afirmar que a energia térmica contida nos gases imediatamente após a combustão é a) parte transferida na forma de calor para o ambiente e parte convertida em energia cinética do pistão. b) totalmente transferida como calor para o ambiente. c) totalmente convertida em trabalho sobre o pistão. d) parte convertida em trabalho sobre o pistão e o restante convertida em energia cinética também do pistão. 27. Em um motor de carro o processo de combustão gera 300J de energia térmica. Deste valor, 200J são perdidos sob a forma de calor. Qual a eficiência desse motor? a) b) c) d) Considere uma garrafa de refrigerante posta verticalmente sobre uma mesa horizontal. Com a garrafa ainda fechada, sua parte superior, entre a superfície do líquido e a tampa, é preenchida por um gás pressurizado. Considere que o refrigerante está inicialmente a 10 C, e passados 10 minutos esteja a 21 C. Sobre o gás entre a superfície do líquido e a tampa, é correto afirmar que, ao final dos 10 minutos: a) tem sua energia térmica aumentada e sua pressão reduzida. b) tem sua energia térmica e pressão aumentadas. c) tem sua energia térmica e sua pressão reduzidas. d) tem sua energia térmica reduzida e sua pressão aumentada. 29. O estudo da calorimetria e das leis da termodinâmica nos dá explicações para vários fenômenos encontrados na natureza. Considere o seguinte texto que apresenta a explicação, do ponto de vista dessas áreas da Física, para a formação das nuvens:

11 Quando uma porção de ar aquecido sobe, contendo água que acabou de da superfície, passa a estar submetida a uma pressão cada vez. A rápida variação na pressão provoca uma rápida expansão do ar junto com uma redução de seu/sua. Essa rápida expansão é considerada, isto é, sem troca de calor com sua vizinhança, porque ocorre muito rapidamente. O gás em expansão energia interna ao se expandir, e isso acarreta seu resfriamento até atingir uma temperatura na qual a quantidade de vapor de água é suficiente para saturar o ar naquele ponto e assim formar as nuvens. Assinale a alternativa que preenche as lacunas corretamente. a) evaporar, menor, temperatura, adiabática, perde. b) condensar, menor, volume, adiabática, ganha. c) evaporar, maior, temperatura, isotérmica, ganha. d) condensar, maior, volume, isobárica, perde. e) sublimar, menor, temperatura, isotérmica, ganha. 30. Um extintor de incêndio de CO 2 é acionado e o gás é liberado para o ambiente. Analise as asserções que se seguem: A figura ilustra uma expansão volumétrica muito rápida, característica de uma transformação adiabática porque em uma transformação adiabática, a transmissão de calor entre o gás e a vizinhança é muito grande e o trabalho realizado pelo gás é igual à variação da sua energia interna. É correto afirmar que: a) as duas asserções são proposições verdadeiras, e a segunda é uma justificativa correta da primeira. b) as duas asserções são proposições verdadeiras, mas a segunda não é justificativa correta da primeira. c) a primeira asserção é uma proposição verdadeira, e a segunda, uma proposição falsa. d) a primeira asserção é um a proposição falsa, e a segunda, uma proposição verdadeira. e) a primeira e a segunda asserção são proposições falsas. 31. O diagrama PV mostrado a seguir ilustra dois processos termodinâmicos: 1 ABC e 2 ADC, em que um gás ideal é levado de um estado A para outro C. considerando V 2 = 2V 1 e P 2 = 4P 1, é CORRETO afirmar: a) O trabalho realizado pelo gás ao longo do processo ADC é maior do que o trabalho realizado ao longo do processo ABC.

12 b) A energia interna do gás é maior no estado B. c) O trabalho realizado pelo gás ao longo do processo ABC é 4 P 1 V 1. d) A razão T A /T B, em que T A e T B representam as temperaturas do gás nos estados A e B, é 1/ Na figura seguinte, é indicado um sistema termodinâmico com processo cíclico. O ciclo é constituído por duas curvas fechadas, a malha I e a malha II. É correto afirmar: a) Durante um ciclo completo, o sistema não realiza trabalho. b) O sistema realiza trabalho positivo na malha I. c) O sistema libera calor na malha II. d) Durante um ciclo completo, a variação da energia interna é nula. 33. No diagrama p x V a seguir, está representado o ciclo termodinâmico da máquina de Carnot, considerada ideal porque tem o maior rendimento entre as máquinas térmicas. O sistema recebe calor da fonte quente à temperatura T 1 e transfere calor para a fonte fria à temperatura T 2. Com relação às transformações termodinâmicas que constituem esse ciclo, é correto afirmar que o sistema passa por uma: a) expansão adiabática entre os estados b e d (b d). b) expansão isovolumética entre os estados b e c (b c). c) compressão isobárica entre os estados c e d (c d). d) expansão isotérmica entre os estados a e b (a b). e) compressão isotérmica entre os estados d e a (d a). 34. A cada ciclo de funcionamento, o motor de um certo automóvel retira 40 kj do compartimento da fonte quente, onde se dá a queima do combustível, e realiza 10 kj de trabalho. Sabendo que parte do calor retirado da fonte quente é dispensado para o ambiente (fonte fria) a uma temperatura de 27 ºC, qual seria a temperatura no compartimento da fonte quente se esse motor operasse segundo o ciclo de Carnot? a) 127 ºC b) 177 ºC c) 227 ºC d) 277 ºC e) 377 ºC

13 35. Para responder a questão, considere o texto e o gráfico, o qual relaciona o rendimento de uma máquina de Carnot e a razão T 2 /T 1 das temperaturas em que opera a máquina. O ciclo de Carnot é um ciclo termodinâmico especial, pois uma máquina térmica que opera de acordo com este ciclo entre duas temperaturas T 1 e T 2, com T 1 maior do que T 2, obtém o máximo rendimento possível. O rendimento r de uma máquina térmica é definido como a razão entre o trabalho líquido que o fluido da máquina executa e o calor que absorve do reservatório à temperatura T 1. Pode-se concluir, pelo gráfico e pelas leis da termodinâmica, que o rendimento da máquina de Carnot aumenta quando a razão T 2 /T 1 diminui: a) alcançando 100% quando T 2 vale 0 º C. b) alcançando 100% quando T 1 é muito maior do que T 2. c) alcançando 100% quando a diferença entre T 1 e T 2 é muito pequena. d) mas só alcança 100% porque representa o ciclo ideal. e) mas nunca alcança 100%. 36. O gráfico abaixo representa duas curvas isotérmicas relacionadas a um gás ideal contido em um recipiente que pode variar o seu volume. Assinale a alternativa incorreta: a) Se o gás for submetido a um processo termodinâmico partindo do estado A para o estado B, a pressão do gás não varia (transformação isobárica) e sua energia interna aumenta. b) Se o gás for submetido a um processo termodinâmico partindo do estado A para o estado D, a sua energia interna aumenta. c) Se o gás for submetido a um processo termodinâmico partindo do estado A para o estado C, a temperatura do gás não varia e não haverá troca de calor com o ambiente. d) Se o gás passar por um processo termodinâmico partindo do estado A, passando pelos estados D e C e retornando ao estado A, a quantidade de calor trocada com o ambiente é igual ao trabalho realizado pelo gás. 37. A segunda lei da termodinâmica pode ser usada para avaliar propostas de construção de equipamentos e verificar se o projeto é factível, ou seja, se é realmente possível de ser construído. Considere a situação em que um inventor alega ter desenvolvido um equipamento que trabalha segundo o ciclo termodinâmico de potência mostrado na figura. O equipamento retira 800 kj de energia, na forma de calor, de um dado local que se encontra na temperatura

14 de 1000 K, desenvolve uma dada quantidade líquida de trabalho para a elevação de um peso e descarta 300 kj de energia, na forma de calor, para outro local que se encontra a 500 K de temperatura. A eficiência térmica do ciclo é dada pela equação fornecida. Nessa situação, a alegação do inventor é: a) correta, pois a eficiência de seu equipamento é de 50% e é menor do que a eficiência teórica máxima. b) incorreta, pois a eficiência de seu equipamento é de 50% e é maior do que a eficiência teórica máxima. c) correta, pois a eficiência de seu equipamento é de 62,5% e é menor do que a eficiência teórica máxima. d) incorreta, pois a eficiência de seu equipamento é de 62,5% e é maior do que a eficiência teórica máxima. e) incorreta, pois a eficiência de seu equipamento é de 62,5% e é menor do que a eficiência teórica máxima. 38. As usinas termelétricas geram eletricidade a partir de turbinas movidas a vapor. O ciclo de Rankine é um ciclo termodinâmico ideal que pode ser utilizado para modelar, de forma simplificada, uma usina termelétrica. A figura abaixo mostra de forma esquemática os elementos básicos de um ciclo de Rankine simples ideal.

15 Considerando que algumas usinas termelétricas que utilizam turbinas a vapor podem ser encontradas próximas a grandes reservatórios de água, como rios e lagos, pode-se inferir que: a) O ciclo de Rankine simples mostrado na figura não prevê a reutilização da energia que é rejeitada no condensador e, por isso, tem rendimento comparável ao de um ciclo de Carnot que opera entre as mesmas temperaturas. b) Historicamente, a instalação de algumas usinas próximas a grandes rios se dá devido à necessidade de remover calor do ciclo, por intermédio da transferência de calor que ocorre no condensador, porém, com implicações ao meio ambiente. c) Em usinas que utilizam combustíveis fósseis, o vapor gerado na caldeira é contaminado pelos gases da combustão e não é reaproveitado no ciclo, sendo mais econômico rejeitá-lo, causando impacto ambiental. d) Entre as termelétricas, as usinas nucleares são as únicas que não causam impacto ambiental, exceto pela necessidade de se armazenar o lixo nuclear gerado. e) As usinas termelétricas e nucleares utilizam fontes renováveis e inesgotáveis de energia.

16 Gabarito: Resposta da questão 1: [C] A energia térmica é diretamente proporcional a temperatura. Como em ambos os casos a quantidade de água é a mesma e a temperatura inicial e final também, logo nos dois casos o ganho de energia térmica é o mesmo. Alternativa correta é a [C]. Resposta da questão 2: [A] Sabendo que a energia interna de um gás é dada por: 3 E nrt 2 Onde, 3 nr Cte. 2 Podemos afirmar que a relação entre a Energia Interna de um gás e sua temperatura é diretamente proporcional. Assim, o único gráfico que representa esta relação é o da alternativa [A]. Resposta da questão 3: [E] Para um gás ideal, a compressão adiabática significa que o sistema não troca calor com o meio, sendo assim, o trabalho fornecido sobre as vizinhanças da massa gasosa é convertido em aumento da energia interna do mesmo. Pela 1ª lei da termodinâmica: QΔU τ Mas, Q 0 (compressão adiabática) ΔU τ Resposta da questão 4: [D] [I] Incorreta. Numa transformação adiabática o calor trocado é nulo. [II] Correta. A variação da energia interna é diretamente proporcional à variação da temperatura absoluta. [III] Correta. Numa transformação isotérmica, o trabalho realizado é nulo. Assim: ΔU Q W ΔU Q 0 ΔU Q. Resposta da questão 5: [A] A eficiência máxima de máquinas térmicas que operam no ciclo de Carnot é calculada com a expressão: T2 η 1 T 1 em que: η é o fator de eficiência máxima (entre 0 e 1),e, quando multiplicado por 100 têm-se a eficiência em porcentagem; T 1 e T 2 são respectivamente as temperaturas da fonte quente e fria em Kelvin.

17 Então a eficiência máxima se fosse uma máquina operando pelo ciclo de Carnot será: 300 K η 1 η 1 0,4 η 0,6 750 K Como esta máquina não opera no ciclo de Carnot, a eficiência será menor que 0,6 indicando que a alternativa correta é da opção [A]. Resposta da questão 6: [E] Para calcular o rendimento deste dispositivo, é preciso descobrir quanto de energia é necessário para elevar a quantidade de água dada em 0,5 C. Assim, Q m c ΔT Q ,5 Q 50 cal ou Q 50 4,2 Q 210 J Assim, 210 η 250 η 84 % Resposta da questão 7: [C] Usando a 1ª Lei da Termodinâmica: ΔU Q W (1) Para um gás monoatômico: 3 ΔU n R ΔT (2) 2 O calor é adicionado ao gás pela passagem da corrente elétrica no circuito: 2 Q P Δt Q r i Δt s Q 1Ω A 12,5 min Q 120 J 1min O trabalho realizado pelo gás é: W m g h 2 W 6 kg10 m / s 0,8 mw 48 J Substituindo a equação (2) na equação (1) e usando os valores obtidos para o calor e o trabalho: 3 2Q W n R Δ T Q W Δ T 2 3 n R J 48 J ΔT ΔT 3 K 3C 3 2mols 8 J / mol K Resposta da questão 8: [A]

18 Análise das alternativas falsas: [B] Num processo de transformação de energia há perdas com o atrito, fazendo com que parte da energia se transforme em calor que é perdido no processo. [C] e [E] Acontece exatamente o contrário. A tendência de modelos termodinâmicos é de aumentar a desordem, ou seja, a entropia do sistema, sendo assim não poderíamos ter as moléculas separadas e ordenadas, mas sim inteiramente misturadas. [D] Não existe a possibilidade de ter uma maquina térmica chamada de motoperpétuo, pois contraria as leis da termodinâmica. Resposta da questão 9: [B] Sabendo da convenção de sinais com relação a calor e trabalho em um sistema termodinâmico e analisando o enunciado, podemos dizer que: W 200 J Q 300 J Ou seja, tanto o calor quanto o trabalho são maiores que zero. Assim, analisando as alternativas, temos que: [A] INCORRETA. Uma transformação é dita adiabática quando não existe troca de calor com o meio externo. O próprio enunciado afirma que existe uma troca de calor. [B] CORRETA. Se o meio recebeu calor e sabendo que a energia interna é dada por: 3 U n R T 2 E que pela primeira lei da termodinâmica temos que: Q τ ΔU Assim, ΔU ΔU 100 J Logo, a energia interna aumenta e a temperatura também. [C] INCORRETA. Se o gás realiza trabalho, o volume vai variar. [D] INCORRETA. Como visto no item [B], a variação de energia interna é positiva. Resposta da questão 10: [B] Sabendo que o trabalho realizado por um gás é dado por: W p ΔV Fica direto analisar que: 1) Na transformação AB ocorre uma expansão ( ΔV 0). Assim, o trabalho realizado é não nulo e positivo. 2) Nas transformações BC e AD não há variação de volume. Logo o trabalho realizado nestas transformações é nulo. 3) Na transformação CD ocorre uma contração ( ΔV 0). Assim, o trabalho realizado é não nulo e negativo. Resposta da questão 11: [C]

19 Para haver resfriamento e liquefação do nitrogênio, o sistema de refrigeração deve realizar trabalho sobre o gás. Resposta da questão 12: [E] AB BCD total BCD BCD BCD W W W W 1050 W W 990 J. Resposta da questão 13: [C] A energia cinética de um gás é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta. Como os dois gases estão à mesma temperatura, as energias cinéticas médias das moléculas são iguais. 2 2 MH v 2 H M 2 O v 2 O2 EH E 2 O Se M M, então: v v. H2 O2 H2 O2 Resposta da questão 14: [C] Analisando as afirmativas, temos: [I] (Falsa) Em um processo isotérmico, a energia interna é constante, e, portanto sua variação é nula ΔU 0; [II] (Verdadeira) Não há troca de calor em um processo adiabático (Q 0) e como temos uma expansão o trabalho que o gás realiza se dá à custa da energia interna causando um resfriamento do sistema. Da primeira lei da Termodinâmica, para uma expansão adiabática (Q 0) : ΔU Q W ΔU 0 W ΔU W W ΔU W Ufinal Uinicial W Uinicial U final; Logo, não significa que o trabalho é negativo, pois se trata de uma expansão, mas este trabalho é devido à variação negativa da energia interna. [III] (Verdadeira) Neste caso temos um processo de compressão adiabática (Q 0), em que haverá um aquecimento do gás graças ao trabalho realizado sobre o gás. A diferença de energia interna é positiva e o trabalho entregue ao sistema é negativo (trabalho feito sobre o gás compressão). Sendo assim, de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica, temos: ΔU Q W Para um processo adiabático (Q 0) então: ΔU W Mas como temos uma compressão, o trabalho é realizado sobre o gás e, portanto negativo. ΔU ( W) Como poderíamos esperar temos um aumento de temperatura, pois ΔU 0. E, finalmente temos a expressão U W; Δ que do jeito que foi colocada na questão pode dar margens à dúvidas, pelo trabalho ser, de fato negativo.

20 [IV] (Verdadeira) O trabalho útil do ciclo τ corresponde à área sob as curvas A ou ainda pela diferença de calor entre a fonte quente e a fonte fria: τ QQ Q F; tendo apenas a ressalva de que o calor da fonte fria seja diferente de zero QF 0, pois do contrário violaria a Segunda Lei da Termodinâmica onde não podemos ter um rendimento de 100% utilizando máquinas térmicas, considerando o calor da fonte fria nulo, ou seja, é impossível transformar todo o calor em trabalho. [V] (Falsa) A Segunda Lei da Termodinâmica diz que é impossível construir uma máquina que obedeça ao ciclo de Carnot com um rendimento de 100%, visto que é impossível converter o calor de forma integral em trabalho. Sendo assim, a alternativa correta é [C]. Resposta da questão 15: [E] [I] Incorreta. Como o ciclo é anti-horário, o trabalho é negativo e seu módulo é numericamente igual a área do ciclo. [II] Correta. A energia interna (U) é diretamente proporcional ao produto pressão volume. Assim: pc VC pa V A UC U A. [III] Correta. Na transformação A B, ocorre expansão, indicando que o gás realiza trabalho (W 0). Como há também aumento da energia interna ( ΔU 0). Pela 1ª Lei da Termodinâmica: Q ΔU W Q 0 o gás recebe calor. Resposta da questão 16: [C] [I] CORRETA. Do enunciado, o calor é fornecido ao sistema (Q 0) e o trabalho é realizado sobre o sistema (W 0). Assim, pela primeira lei da termodinâmica, tem-se que: Q W ΔU ΔU Q W Como, Q 0 W 0 Logo, ΔU Q W ΔU Q W [II] INCORRETA. Quando um sistema é fechado, não existe troca de calor com o meio externo nem é realizado trabalho, seja sobre ou pelo sistema. Logo, Q 0 W 0 ΔU 0 [III] CORRETA. De acordo com a segunda lei da termodinâmica. Resposta da questão 17: [B] Para que todo o calor fornecido ao sistema seja convertido em trabalho, a variação de energia

21 interna deve ser nula, sendo um processo isotérmico, e de acordo com a 1ª lei da termodinâmica, o calor recebido pelo sistema converte-se integralmente em trabalho. Q ΔU τ se ΔU 0 Q τ Resposta da questão 18: Sem resposta. Gabarito Oficial: [C] Gabarito SuperPro : Sem resposta. Há problemas no enunciado desta questão. Da maneira como foi publicada nada se pode afirmar. Nenhuma das situações propostas cita tratar-se de um ciclo termodinâmico. Além disto, não é possível determinar a origem da energia cinética de 100 J. Resposta da questão 19: [D] Analisando as alternativas, [A] CORRETA. Toda máquina deve satisfazer as duas leis da termodinâmica. A primeira que é uma aplicação do princípio da conservação de energia e a segunda que trata diretamente de máquinas térmicas e seu rendimento. [B] CORRETA. A eficiência máxima de uma máquina térmica é quando esta opera em um ciclo de Carnot. Desta forma, Tf 300 ηcarnot 1 1 T 1200 Q 1 ηcarnot 1 4 ηcarnot 75 % [C] CORRETA. O rendimento do ciclo de Carnot depende da razão entre as duas temperaturas de operação da máquina. Se as duas forem reduzidas pela metade, logo o rendimento será o mesmo. Tf 150 ηcarnot 1 1 T 600 Q 1 ηcarnot 1 4 ηcarnot 75 % [D] INCORRETA. O Rendimento da máquina térmica operando no ciclo de Carnot é o máximo rendimento que esta pode ter. [E] CORRETA. A afirmação desta alternativa é a própria segunda lei da termodinâmica, que diz que "Nenhum motor térmico consegue transformar integralmente calor em trabalho". Resposta da questão 20: [A] O rendimento de uma máquina térmica é máximo quando a menor parte da energia térmica retirada da fonte quente for rejeitada para a fonte fria. Resposta da questão 21: [A] [I] Correta. Ao entrar no congelador o gás é expandido, sofrendo diminuição na pressão. Como Absorve energia do interior da geladeira sua temperatura aumenta. [II] Incorreta. Contradiz a afirmativa anterior.

22 [III] Correta. Ao passar pelo condensador o gás está sob alta pressão. Nessa passagem o gás libera calor para o meio, diminuindo sua temperatura. [IV] Incorreta. Contradiz a afirmativa anterior. Resposta da questão 22: [E] - Da equação geral dos gases: A transformação BC é isométrica, sendo a temperatura diretamente proporcional à pressão. Assim: pb pa pb p A TB T A TA T B. TB TA - Pelo gráfico nota-se que a transformação BC ocorre sob pressão constante, sendo, portanto, isobárica. - A transformação CD é uma expansão, portanto o trabalho realizado pela força de pressão do gás e maior do que zero. Resposta da questão 23: [A] Pela equação geral, tem-se que: p V cte. T Assim, pode-se dizer que na situação descrita teremos: pa VA pb V B TA TB Substituindo as relações dadas no enunciado na equação acima, VA 2p A pa V A 2 TA TB Ou seja, TA TB Assim, podemos dizer que a transformação AB é uma transformação isotérmica, pois não há variação de temperatura. Já na transformação BC, observando o gráfico fornecido no enunciado, não há variação de volume, ou seja, trata-se de uma transformação isocórica ou isovolumétrica ou isométrica. Resposta da questão 24: [B] [I] Correta. O segundo gráfico mostra que a pressão é constante o que caracteriza uma transformação Isobárica. [II] Correta. A figura mostra que se prolongarmos a linha do primeiro gráfico ela é uma reta que passa pela origem. Isso significa que o Volume e a Temperatura Absoluta são diretamente proporcionais.

23 [III] Incorreta. Está ocorrendo expansão do gás, portanto o Trabalho Total realizado (W) pelo sistema é positivo: W PVB VA 0. [IV] Incorreta. A variação da energia interna é diretamente proporcional à variação da temperatura. Se a temperatura está aumentando, a energia interna também o está. Resposta da questão 25: [A] Observação: o enunciado não afirma que as duas curvas mostradas são isotermas ou trechos de hipérboles "equiláteras". Da forma como está não podemos concluir que a transformação CA é isotérmica. Analisemos cada uma das transformações. - AB Volume constante: isocórica. - BC pressão constante: isobárica. - CA Se a curva mostrada for um trecho de hipérbole, a temperatura é constante: isotérmica. Resposta da questão 26: [A] Justificando as alternativas INCORRETAS: [B] Se isto acontecesse, não haveria energia sendo convertida em trabalho e, consequentemente, não haveria movimentação do pistão. [C] Vai contra a Segunda Lei da Termodinâmica, que diz que nenhuma máquina operando em ciclos irá converter todo o calor recebido em trabalho. Dever haver uma perda de energia que não é utilizado como trabalho no processo. [D] Vai contra a Segunda Lei da Termodinâmica. Resposta da questão 27: [B] Com base nos dados fornecidos pela questão: QF 200 η 1 1 Q η 1 3 η 1 3 Q Em termos percentuais:

24 1 η 100% η % 3 Resposta da questão 28: [B] É dado na questão que, ao ser pressurizada, a temperatura do refrigerante aumenta. Como, 3 ΔU n R ΔT 2 Sabendo que o número de mols (n) é constante e que R é uma constante, é fácil concluir que se a temperatura aumenta, a energia interna do gás também aumenta. Sabe-se também que, p V cte. T Como o volume é constante (limitado pela garrafa), se a temperatura (T) aumenta, é direta verificação de que a pressão (p) também aumenta. Desta forma, na situação descrita, tanto a energia interna do gás quanto a pressão aumentam. Resposta da questão 29: [A] Analisando o próprio texto fornecido, é possível chegar a resposta. 1ª Lacuna: evaporar. Quando uma porção de ar aquecido sobe(...) 2ª Lacuna: menor. Pela mesma parte do texto mencionado para 1ª Lacuna, se o ar sobe, este estará sujeito a uma pressão cada vez menor, pois a camada de ar sobre este é cada vez menor. 3ª Lacuna: temperatura. (...) A rápida variação na pressão provoca uma rápida expansão do ar (...) Se a pressão e o volume variaram, estas variações só podem provocar uma variação na temperatura, a terceira propriedades dos gases. 4ª Lacuna: adiabática. (...),isto é, sem troca de calor com sua vizinhança, (...) 5ª Lacuna: perde. (...) e isso acarreta seu resfriamento (...) como energia interna também diminui. 3 U nr T, se a temperatura diminui, sua 2 Logo, alternativa [A]. Resposta da questão 30: [C] Analisando as assertivas, pode-se notar que a primeira é verdadeira e a segunda é falsa. Na primeira é dito que trata-se de uma expansão volumétrica muito rápida, característica de uma transformação adiabática. Pela primeira lei da termodinâmica, tem-se que: Qτ ΔU

25 Uma transformação adiabática trata-se de uma transformação sem que haja troca de calor com a vizinhança, ou seja, Q 0. Logo, 0 τδu ΔU τ Como o trabalho na termodinâmica é τ p ΔV, pode-se concluir que haverá uma variação de volume muito rápida em uma expansão adiabática. A segunda assertiva está incorreta pois é dito que na transformação adiabática existe uma transmissão de calor muito grande de calor entre o gás e a vizinhança, o que não é uma característica deste tipo de transformação. Resposta da questão 31: [C] a) Errada. Observe os gráficos abaixo b) Errada. A energia interna é diretamente proporcional à temperatura que por sua vez é diretamente proporcional ao produto PV. P.V P.V A A 1 1 P.V P.V 4P.V B B P.V P.V P.2V 2P.V C C P.V P.V 4P.2V 8P.V D D T 4T ; TC 2T1; TD 8T1 B 1 c) Certa. Calculemos a área do segundo gráfico mostrado na letra a. W V V.P 2V V.4P 4P V ABC d) Errada. TA T1 1 T 4T 4 B 1 Resposta da questão 32: [D] Resposta da questão 33: [D] D) expansão isotérmica entre os estados a e b (a b). Correta, pois a temperatura mantém-se constante. Resposta da questão 34: [A] Dados: T 1 = 27 C = 300 K; Q 1 = 40 kj; W = 10 kj. O rendimento () desse motor é:

26 W 10 = 0,25. Q 40 1 Aplicando esse rendimento ao ciclo de Carnot: T2 = 1 T T2 T 1 T 1 = T 1 = 400 K T 1 = T ,25 0,75 T 1 = 127 C. Resposta da questão 35: [E] A 2ª Lei da Termodinâmica afirma que nenhuma máquina térmica, operando em ciclos entre uma fonte quente, à temperatura T 1, e uma fonte fria, à temperatura T 2, consegue transformar integralmente calor em trabalho. Portanto o rendimento nunca pode chegar a 100%, sendo no máximo, igual ao da máquina de Carnot. T2 De fato, analisando o gráfico, vemos que o rendimento seria igual a 100% quando a razão T T2 fosse nula, ou seja: 0 T2 0. A fonte fria teria que estar a 0 K, o que é um absurdo. T1 Portanto o rendimento r é sempre menor que 100%. Resposta da questão 36: [C] Resposta da questão 37: [D] Resposta da questão 38: [B] 1