FÍSICA PROFº JAISON MATTEI

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1 FÍSICA PROFº JAISON MATTEI 1. Um sistema termodinâmico constituído de n mols de um gás perfeito monoatômico desenvolve uma transformação cíclica ABCDA representada no diagrama a seguir. De acordo com o apresentado pode-se afirmar que a) o trabalho em cada ciclo é de 800 J e é realizado pelo sistema. b) o sistema termodinâmico não pode representar o ciclo de uma máquina frigorífica uma vez que o mesmo está orientado no sentido anti-horário. c) a energia interna do sistema é máxima no ponto D e mínima no ponto B. d) em cada ciclo o sistema libera 800 J de calor para o meio ambiente.. O diagrama PV da figura mostra, para determinado gás ideal, alguns dos processos termodinâmicos possíveis. Sabendo-se que nos processos AB e BD são fornecidos ao gás e 500 joules de calor, respectivamente, a variação da energia interna do gás, em joules, no processo ACD será igual a 10 a) 105 b) 50 c) 515 d) 60 e) 75. Um tanque metálico rígido com 1,0 m de volume interno é utilizado para armazenar oxigênio puro para uso hospitalar. Um manômetro registra a pressão do gás contido no tanque

2 e, inicialmente, essa pressão é de 0 atm. Após algum tempo de uso, sem que a temperatura tenha variado, verifica-se que a leitura do manômetro reduziu para 5 atm. Medido à pressão atmosférica, o volume, em a) 5,0 b) 1 c) 5 d) 0 e) 48 m, do oxigênio consumido durante esse tempo é 4. As turbinas a vapor da propulsão nuclear de um submarino possuem um rendimento de e são capazes de produzir uma potência mecânica constante de 40 MW nos eixos 15% rotativos. Se essa potência é entregue em,0 minutos, observa-se que a variação de entropia 1 do sistema vapor-turbinas é 1 produzido pelo reator nuclear vale, aproximadamente a) 7 b) 0 c) 47 d) 07 e) 177 GJ. K A temperatura, em C, do vapor superaquecido 5. Uma amostra de n mols de gás ideal sofre as transformações AB (isovolumétrica), BC (isobárica) e CD (isotérmica) conforme representação no diagrama pressão (p) volume (V), mostrado a seguir. Sabendo-se que a temperatura do gás no estado A é 7 C, pode-se afirmar que a temperatura dele, em C, no estado D é a) 108 b) 7 c) 68 d) 97 TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: Quando necessário, use: g 10m s sen 7 0,6

3 cos 7 0,8 6. Dispõe-se de duas máquinas térmicas de Carnot. A máquina 1 trabalha entre as temperaturas de 7 C e 57 C, enquanto a máquina opera entre 7 K e 57 K. Analise as afirmativas a seguir e responda ao que se pede. I. A máquina tem maior rendimento que a máquina 1. II. Se a máquina 1 realizar um trabalho de 000 J terá retirado 6000 J de calor da fonte quente. III. Se a máquina retirar 4000 J de calor da fonte quente irá liberar aproximadamente de calor para a fonte fria. IV. Para uma mesma quantidade de calor retirada da fonte quente pelas duas máquinas, a máquina rejeita mais calor para a fonte fria. 170 J São corretas apenas a) I e II. b) I e III. c) II e IV. d) III e IV. 7. Considere que 0,40 gramas de água vaporize isobaricamente à pressão atmosférica. Sabendo que, nesse processo, o volume ocupado pela água varia de 1,0 litro, pode-se afirmar que a variação da energia interna do sistema, em kj, vale Dados: calor latente de vaporização da água = Conversão: 1,0 a) b) 0,9 c) 0,8 d) 0,9 e) 1,0 5 1 atm 1,0 10 Pa. 6, 10 J / kg; 8. Uma máquina térmica, funcionando entre as temperaturas de 00 K e 600 K fornece uma potência útil, a partir de uma potência recebida, P. r O rendimento dessa máquina corresponde a 45 do rendimento máximo previsto pela máquina de Carnot. Sabendo que a P, u potência recebida é de 100 W, a potência útil, em watt, é a) 00 b) 480 c) 500 d) 600 e) Considere um gás monoatômico ideal no interior de um cilindro dotado de um êmbolo, de massa desprezível, que pode deslizar livremente. Quando submetido a uma certa expansão isobárica, o volume do gás aumenta de,00 10 m para 8,00 10 m. Sabendo-se que, durante o processo de expansão, a energia interna do gás sofre uma variação de 0,60 kj,

4 pode-se afirmar que o valor da pressão, em kpa, é de a) 4,00 b) 10,0 c) 1,0 d) 40,0 e) O diagrama abaixo representa um ciclo realizado por um sistema termodinâmico constituído por n mols de um gás ideal. Sabendo-se que em cada segundo o sistema realiza 40 ciclos iguais a este, é correto afirmar que a(o) a) potência desse sistema é de 1600 W. b) trabalho realizado em cada ciclo é - 40 J. c) quantidade de calor trocada pelo gás com o ambiente em cada ciclo é nula. d) temperatura do gás é menor no ponto C.

5 Gabarito: Resposta da questão 1: [D] Deve-se notar que o ciclo é anti-horário e que o volume está expresso em litro (1L 10 m ), tratando-se de um ciclo refrigerador. O trabalho (W) recebido a cada ciclo é calculado pela área interna do ciclo: 5 W W 800 J. Como numa transformação cíclica a variação da energia interna é nula, aplicando a primeira lei da termodinâmica ao ciclo, vem: Q U W Q Q 800 J. O sinal negativo indica calor liberado para o meio ambiente. Resposta da questão : [C] A variação da energia interna ( U), ΔUABD ΔUACD 1 Δ para os dois caminhos ABD e ACD devem ser iguais: De acordo com a primeira Lei da Termodinâmica: Q ΔU W ΔU Q W ΔUABD QABD WABD QABD 10 J 500 J 60 J 1m WABD pδv WABD Pa cm W 6 ABD 105 J 10 cm Logo, substituindo os valores na equação (): ΔUABD 60 J 105 JΔUABD 515 J E, finalmente, pela igualdade em (1): ΔUABD ΔUACD 515 J Resposta da questão : [A] A diferença de pressão P 1 é devido ao gás consumido, assim, usando a lei geral dos gases, para um processo isotérmico, considerando-se que o volume final deve ser medido à 1atm : P V P V atm 1m 1 atm V Logo, V 5 m Resposta da questão 4:

6 [B] Calculando a potência total: 6 9 P U ,8 10 0,8 PU 15% P T PT 10 P T GW. 0, A quantidade de calor gerada no processo é: 0,8 Q PT Δt 180 Q 48 GJ. Aplicando a definição de entropia: Q Q 48 ΔS T T 576K 576 7C T 0 C. T ΔS 1 1 Resposta da questão 5: [D] Como o processo de C para D é isotérmico, as temperaturas correspondentes são idênticas, logo podemos usar a equação geral dos gases ideais entre os estados A e C: PAVA PCVC T T A C Passando a temperatura em A para Kelvin: TA 7 7 TA 00 K atm 4 L 4 atm 8 L 00 K T TC 100 K C Passando para a escala Celsius: TC TC 97 C Resposta da questão 6: [B] Analisando as alternativas: [I] Verdadeira η 1 1 η 1 1 η 1 0, η 1 η 0,57 57 [II] Falsa. O trabalho τ é dado pela diferença de calor entre a fonte quente e a fria, mas também é o produto do rendimento pelo calor da fonte quente. τ Q Q η Q 1 1 τ ηq1 0, τ 50 J [III] Verdadeira. Calculando o trabalho, temos: τ Q1 Q τ τ 80 J

7 Mas, τ ηq1 80 0,57 Q1 Q J Confirmando o calor da fonte quente. [IV] Falsa. Para uma mesma quantidade de calor retirada da fonte quente pelas duas máquinas, a máquina rejeita menos calor para a fonte fria, pois tem um maior rendimento, transformando em trabalho uma maior quantidade de calor da fonte quente sobrando menor rejeito para a fonte fria. Resposta da questão 7: [C] Da 1ª Lei da Termodinâmica: ΔU Q W Devemos achar o trabalho (W) da transformação Isobárica: 5 1m W p ΔV 1,0 10 Pa 1,0L W 100 J 1000L Para a mudança de estado físico, calculamos o calor latente (Q): 1kg 6 J Q m Lv 0,4 g,6 10 Q 90 J 1000 g kg E a variação de energia interna ( ) será: ΔU Q W 90 J 100 J ΔU 80J 0,8kJ Resposta da questão 8: [B] ΔU O rendimento máximo ( η máx) de uma máquina térmica é dado pela razão da diferença de temperatura entre as fontes quente e fria e a fonte quente. T1 00K 1 ηmáx 1 η 1 T 600K e η 4 η máx Como: 4 Pu η Pr Pu 100 W Pu 480 W 10 Resposta da questão 9: [D] Para um gás ideal e monoatômico, a relação entre a energia interna, pressão e volume é dada por: ΔU p ΔV

8 Isolando a pressão: ΔU 0,60kJ p p 40kPa ΔV ( )m Resposta da questão 10: [A] A frequência de operação é 40 ciclos/s, ou seja, 40 Hz. Notemos ainda que, no eixo das abscissas o volume está em litro. (1 L = 10 m ). Calculando o trabalho (W ciclo) em cada ciclo. Como se trata de um ciclo no sentido horário, o trabalho realizado é positivo, sendo numericamente igual á área interna do ciclo. W " Área" 0,6 0, W 40 J. ciclo 5 O trabalho total (W) em 40 ciclos é: W J. Calculando a potência do sistema: W J P P W. t 1 s ciclo