QUÍMICA PROFº JAISON MATTEI

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1 QUÍMICA PROFº JAISON MATTEI 1. Em uma máquina térmica ideal que opere em ciclos, todos os processos termodinâmicos, além de reversíveis, não apresentariam dissipação de energia causada por possíveis efeitos dos atritos internos nos mecanismos ou turbulências no fluido operador da máquina. O ciclo de Carnot é um bom exemplo de processo termodinâmico idealizado, que apresentaria a maior eficiência possível na transformação de calor em trabalho útil. A eficiência para uma máquina de Carnot operando entre as temperaturas absolutas de 300 K e 900 K seria de aproximadamente, e a entropia do sistema ficaria durante o processo. a) 66% maior b) 66% igual c) 33% menor d) 33% maior e) 100% igual 2. Durante cada ciclo, uma máquina térmica absorve 500 J de calor de um reservatório térmico, realiza trabalho e rejeita 420 J para um reservatório frio. Para cada ciclo, o trabalho realizado e o rendimento da máquina térmica são, respectivamente, iguais a a) 80 J e 16% b) 420 J e 8% c) 420 J e 84% d) 80 J e 84% 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 4. Uma máquina a vapor foi projetada para operar entre duas fontes térmicas, a fonte quente e a fonte fria, e para trabalhar segundo o ciclo de Carnot. Sabe-se que a temperatura da fonte quente é de 127 C e que a máquina retira, a cada ciclo, 600 J desta fonte, alcançando um rendimento máximo igual a 0,25. O trabalho realizado pela máquina, por ciclo, e a temperatura da fonte fria são, respectivamente: a) 240 J e 95 C b) 150 J e 27 C c) 15 J e 95 C d) 90 J e 27 C e) 24 J e 0 C 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

2 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. Uma máquina térmica, representada na figura abaixo, opera na sua máxima eficiência, extraindo calor de um reservatório em temperatura Tq 527 C, e liberando calor para um reservatório em temperatura Tf 327 C. Para realizar um trabalho (W) a) 2.400J. b) 1.800J. c) 1.581J. d) 967J. e) 800J. de 600J, o calor absorvido deve ser de 7. Abaixo temos o diagrama p V um gás ideal do estado inicial (i) para o estado final (f). onde estão representadas três transformações que levam Considerando o estudo das transformações gasosas, os três processos aos quais o gás é submetido são, respectivamente a) isobárico, isotérmico e isovolumétrico.

3 b) isovolumétrico, isobárico e isotérmico. c) isotérmico, isobárico e isovolumétrico. d) isovolumétrico, isotérmico e isobárico. 8. 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. 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 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. 9. 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 Q F

4 experimento. a) processo isovolumétrico b) processo isotérmico c) processo isobárico d) processo adiabático e) processo composto: isobárico e isovolumétrico 10. 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. 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.

5 Gabarito: Resposta da questão 1: [B] O rendimento da máquina térmica é dado por: Tff 300 K 1 2 η 1 η 1 η 1 η η 0,66 ou 66% Tfq 900 K 3 3 Como o processo se dá em ciclos, a entropia final é a mesma inicial, portanto a resposta correta é alternativa [B]. Resposta da questão 2: [A] Da 1ª Lei da Termodinâmica: Trabalho: W Qquente Qfria W 80 J. W 80 Rendimento: η 0,16 η 16%. Qquente 500 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: [B] W W n 0,25 W 0, W 150 J Q 600 Tf Tf n 1 0,25 1 Tf 300 K T0 400 Tc Tk 273 Tc Tc 27 C 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 em que: 1

6 η é o fator de eficiência máxima (entre 0 e 1),e, quando multiplicado por 100 têm-se a eficiência em porcentagem; são respectivamente as temperaturas da fonte quente e fria em Kelvin. T 1 e T 2 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: [A] Para calcular o rendimento de uma máquina térmica ideal usa-se a equação: Tfria η 1, T quente com as temperaturas expressas na escala Kelvin η 1 η 1 η 0,25 ou 25% Mas o rendimento se relaciona com o trabalho e a fonte quente: W W 600 J η Qquente Qquente Qquente 2400 J Qquente η 0,25 Resposta da questão 7: [B] (1) Volume constante: isométrico; (2) Pressão constante: isobárico; (3) Temperatura constante: isotérmico. Resposta da questão 8: [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

7 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) ΔUW então: 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 ΔU W; que do jeito que foi colocada na questão pode dar margens à dúvidas, pelo trabalho ser, de fato negativo. [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 9: [B] Para que todo o calor fornecido ao sistema seja convertido em trabalho, a variação de energia 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 10: [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,

8 Tf TQ % [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 T 600 Q % [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".