Leis da Termodinâmica

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1 1. (Ufpa) Um técnico de manutenção de máquinas pôs para funcionar um motor térmico que executa 20 ciclos por segundo. Considerando-se que, em cada ciclo, o motor retira uma quantidade de calor de 1200 J de uma fonte quente e cede 800 J a uma fonte fria, é correto afirmar que o rendimento de cada ciclo é a) 13,3% b) 23,3% c) 33,3% d) 43,3% e) 53,3% 2. (Ufsm) Na primeira fase da revolução industrial, o processo de exploração do carvão, na Inglaterra, foi melhorado com a utilização de máquinas a vapor, para retirar a água acumulada nas minas. Considere uma máquina a vapor representada pelo esquema seguinte: Q 2 é a energia retirada do reservatório de maior temperatura (T 2 ) a cada ciclo. Q 1 é a energia cedida ao reservatório de menor temperatura (T 1 ). W é a energia associada ao trabalho da máquina sobre a vizinhança. Então, analise as afirmativas: I. Pela primeira lei da Termodinâmica, em valores absolutos, Q 1 +Q 2 = W. II. Se o esquema representa uma máquina reversível, o ciclo termodinâmico realizado pela substância de trabalho é formado por duas isotermas e duas adiabáticas. III. Como o reservatório de temperatura mais alta perde energia e o reservatório de temperatura mais baixa ganha energia, T 2 diminui e T 1 aumenta; por isso o rendimento diminui com o tempo. Está(ão) correta(s) a) apenas I. b) apenas II. c) apenas III. d) apenas I e II. e) apenas II e III. 3. (Enem) Aumentar a eficiência na queima de combustível dos motores à combustão e reduzir suas emissões de poluentes são a meta de qualquer fabricante de motores. É também o foco de uma pesquisa brasileira que envolve experimentos com plasma, o quarto estado da matéria e que está presente no processo de ignição. A interação da faísca emitida pela vela de ignição com as moléculas de combustível gera o plasma que provoca a explosão liberadora de energia que, por sua vez, faz o motor funcionar. Disponível em: Acesso em: 22 jul (adaptado). No entanto, a busca da eficiência referenciada no texto apresenta como fator limitante a) o tipo de combustível, fóssil, que utilizam. Sendo um insumo não renovável, em algum momento estará esgotado. b) um dos princípios da termodinâmica, segundo o qual o rendimento de uma máquina térmica nunca atinge o ideal. c) o funcionamento cíclico de todo os motores. A repetição contínua dos movimentos exige que parte da energia seja transferida ao próximo ciclo. d) as forças de atrito inevitável entre as peças. Tais forças provocam desgastes contínuos que com o tempo levam qualquer material à fadiga e ruptura. e) a temperatura em que eles trabalham. Para atingir o plasma, é necessária uma temperatura maior que a de fusão do aço com que se fazem os motores. 4. (Enem) Um motor só poderá realizar trabalho se receber uma quantidade de energia de outro sistema. No caso, a energia armazenada no combustível é, em parte, liberada durante a combustão para que o aparelho possa funcionar. Quando o motor funciona, parte da energia convertida ou transformada na combustão não pode ser utilizada para a realização de trabalho. Isso significa dizer que há vazamento da energia em outra forma. CARVALHO, A. X. Z. Física Térmica. Belo Horizonte: Pax, 2009 (adaptado). De acordo com o texto, as transformações de energia que ocorrem durante o funcionamento do motor são decorrentes de a a) liberação de calor dentro do motor ser impossível. b) realização de trabalho pelo motor ser incontrolável. c) conversão integral de calor em trabalho ser impossível. d) transformação de energia térmica em cinética ser impossível. e) utilização de energia potencial do combustível ser incontrolável. 5. (Ufmg) Um pistão constituído de um cilindro e de um êmbolo, que pode se mover livremente contém um gás ideal, como representado na Figura I. O 2 êmbolo tem massa de 20 kg e área de 0,20 m. Nessa situação, o gás está à temperatura ambiente e ocupa um volume V I. Página 1 de 6

2 d) 100. e) (Ufscar) Inglaterra, século XVIII. Hargreaves patenteia sua máquina de fiar; Arkwright inventa a fiandeira hidráulica; James Watt introduz a importantíssima máquina a vapor. Tempos modernos! (C. Alencar, L. C. Ramalho e M. V. T. Ribeiro, "História da Sociedade Brasileira".) Considere quaisquer atritos desprezíveis e que a pressão atmosférica é de 101 kpa. 1. Com base nessas informações, determine a pressão do gás dentro do pistão. 2. Em seguida, o pistão é virado de cabeça para baixo, como mostrado na Figura II. As máquinas a vapor, sendo máquinas térmicas reais, operam em ciclos de acordo com a segunda lei da Termodinâmica. Sobre estas máquinas, considere as três afirmações seguintes: I. Quando em funcionamento, rejeitam para a fonte fria parte do calor retirado da fonte quente. II. No decorrer de um ciclo, a energia interna do vapor de água se mantém constante. III. Transformam em trabalho todo calor recebido da fonte quente. É correto o contido apenas em a) I. b) II. c) III. d) I e II. e) II e III. Nessa nova situação, a temperatura continua igual à do ambiente e o volume ocupado pelo gás é V II. Com base nessas informações, determine a razão V / V entre os volumes. II I 3. Assinalando com um X a opção apropriada, responda: Ao passar da situação representada na Figura I para a mostrada na Figura II, o gás dentro do cilindro cede calor, recebe calor ou não troca calor? ( ) Cede calor. ( ) Recebe calor. ( ) Não troca calor. Justifique sua resposta. 6. (Unesp) Um recipiente contendo um certo gás tem seu volume aumentado graças ao trabalho de 1664 J realizado pelo gás. Neste processo, não houve troca de calor entre o gás, as paredes e o meio exterior. Considerando que o gás seja ideal, a energia de 1 mol desse gás e a sua temperatura obedecem à relação U = 20,8T, onde a temperatura T é medida em kelvin e a energia U em joule. Pode-se afirmar que nessa transformação a variação de temperatura de um mol desse gás, em kelvin, foi de: a) 50. b) c) (Uel) Uma das grandes contribuições para a ciência do século XIX foi a introdução, por Sadi Carnot, em 1824, de uma lei para o rendimento das máquinas térmicas, que veio a se transformar na lei que conhecemos hoje como Segunda Lei da Termodinâmica. Na sua versão original, a afirmação de Carnot era: todas as máquinas térmicas reversíveis ideais, operando entre duas temperaturas, uma maior e outra menor, têm a mesma eficiência, e nenhuma máquina operando entre essas temperaturas pode ter eficiência maior do que uma máquina térmica reversível ideal. Com base no texto e nos conhecimentos sobre o tema, é correto afirmar: a) A afirmação, como formulada originalmente, vale somente para máquinas a vapor, que eram as únicas que existiam na época de Carnot. b) A afirmação de Carnot introduziu a ideia de Ciclo de Carnot, que é o ciclo em que operam, ainda hoje, nossas máquinas térmicas. c) A afirmação de Carnot sobre máquinas térmicas pode ser encarada como uma outra maneira de dizer que há limites para a possibilidade de aprimoramento técnico, sendo impossível obter uma máquina com rendimento maior do que a de uma máquina térmica ideal. d) A afirmação de Carnot introduziu a ideia de Ciclo de Carnot, que veio a ser o ciclo em que operam, ainda hoje, nossos motores elétricos. Página 2 de 6

3 e) Carnot viveu em uma época em que o progresso técnico era muito lento, e sua afirmação é hoje desprovida de sentido, pois o progresso técnico é ilimitado. 9. (Enem) No Brasil, o sistema de transporte depende do uso de combustíveis fósseis e de biomassa, cuja energia é convertida em movimento de veículos. Para esses combustíveis, a transformação de energia química em energia mecânica acontece a) na combustão, que gera gases quentes para mover os pistões no motor. b) nos eixos, que transferem torque às rodas e impulsionam o veículo. c) na ignição, quando a energia elétrica é convertida em trabalho. d) na exaustão, quando gases quentes são expelidos para trás. e) na carburação, com a difusão do combustível no ar. 10. (Uel) O reator utilizado na Usina Nuclear de Angra dos Reis - Angra II - é do tipo PWR (Pressurized Water Reactor). O sistema PWR é constituído de três circuitos: o primário, o secundário e o de água de refrigeração. No primeiro, a água é forçada a passar pelo núcleo do reator a pressões elevadas, 135 atm, e à temperatura de 320 C. Devido à alta pressão, a água não entra em ebulição e, ao sair do núcleo do reator, passa por um segundo estágio, constituído por um sistema de troca de calor, onde se produz vapor de água que vai acionar a turbina que transfere movimento ao gerador de eletricidade. Na figura estão indicados os vários circuitos do sistema PWR. Considerando as trocas de calor que ocorrem em uma usina nuclear como Angra II, é correto afirmar: a) O calor removido do núcleo do reator é utilizado integralmente para produzir trabalho na turbina. b) O calor do sistema de refrigeração é transferido ao núcleo do reator através do trabalho realizado pela turbina. c) Todo o calor fornecido pelo núcleo do reator é transformado em trabalho na turbina e, por isso, o reator nuclear tem eficiência total. d) O calor do sistema de refrigeração é transferido na forma de calor ao núcleo do reator e na forma de trabalho à turbina. e) Uma parte do calor fornecido pelo núcleo do reator realiza trabalho na turbina, e outra parte é cedida ao sistema de refrigeração. 11. (Enem) O diagrama mostra a utilização das diferentes fontes de energia no cenário mundial. Embora aproximadamente um terço de toda energia primária seja orientada à produção de eletricidade, apenas 10% do total são obtidos em forma de energia elétrica útil. A pouca eficiência do processo de produção de eletricidade deve-se, sobretudo, ao fato de as usinas a) nucleares utilizarem processos de aquecimento, nos quais as temperaturas atingem milhões de graus Celsius, favorecendo perdas por fissão nuclear. b) termelétricas utilizarem processos de aquecimento a baixas temperaturas, apenas da ordem de centenas de graus Celsius, o que impede a queima total dos combustíveis fósseis. c) hidrelétricas terem o aproveitamento energético baixo, uma vez que parte da água em queda não atinge as pás das turbinas que acionam os geradores elétricos. d) nucleares e termelétricas utilizarem processos de transformação de calor em trabalho útil, no qual as perdas de calor são sempre bastante elevadas. e) termelétricas e hidrelétricas serem capazes de utilizar diretamente o calor obtido do combustível para aquecer a água, sem perda para o meio. 12. (Fuvest) Um motor de combustão interna, semelhante a um motor de caminhão, aciona um gerador que fornece 25kW de energia elétrica a uma fábrica. O sistema motor-gerador é resfriado por fluxo de água, permanentemente renovada, que é fornecida ao motor a 25 C e evaporada, a 100 C, para a atmosfera. Observe as características do motor na tabela. Supondo que o sistema só dissipe calor pela água que aquece e evapora, determine: Página 3 de 6

4 expressas em Kelvin. Considere o calor específico da água c = 4000 J/kg C. a) Determine a potência gerada por uma usina cuja eficiência é metade da máxima teórica. b) Determine o aumento de temperatura da água do rio ao passar pela usina. a) A potência P, em kw, fornecida à água, de forma a manter a temperatura do sistema constante. b) A vazão V de água, em kg/s, a ser fornecida ao sistema para manter sua temperatura constante. c) A eficiência R do sistema, definida como a razão entre a potência elétrica produzida e a potência total obtida a partir do combustível. 13. (Unicamp) Com a instalação do gasoduto Brasil- Bolívia, a quota de participação do gás natural na geração de energia elétrica no Brasil será significativamente ampliada. Ao se queimar 1,0kg de gás natural obtém-se 5, J de calor, parte do qual pode ser convertido em trabalho em uma usina termoelétrica. Considere uma usina queimando 7200 quilogramas de gás natural por hora, a uma temperatura de 1227 C. O calor não aproveitado na produção de trabalho é cedido para um rio de vazão 5000l/s, cujas águas estão inicialmente a 27 C. A maior eficiência teórica da conversão de calor em trabalho é dada por n = 1 - (Tmin/Tmáx), 14. (Enem) A refrigeração e o congelamento de alimentos são responsáveis por uma parte significativa do consumo de energia elétrica numa residência típica. Para diminuir as perdas térmicas de uma geladeira, podem ser tomados alguns cuidados operacionais: I. Distribuir os alimentos nas prateleiras deixando espaços vazios entre eles, para que ocorra a circulação do ar frio para baixo e do quente para cima. II. Manter as paredes do congelador com camada bem espessa de gelo, para que o aumento da massa de gelo aumente a troca de calor no congelador III. Limpar o radiador ("grade" na parte de trás) periodicamente, para que a gordura e o poeira que nele se depositam não reduzam a transferência de calor para o ambiente. Para uma geladeira tradicional é correto indicar, apenas, a) a operação I b) a operação II. c) as operações I e II. d) as operações I e III. e) as operações II e III. sendo T(min) e T(max) as temperaturas absolutas das fontes quente e fria respectivamente, ambas Página 4 de 6

5 Gabarito: Resposta da questão 1:[C] Dados: f = 20 Hz; Etotal = J; Edissipada = 800 J. A cada ciclo (período), a energia útil é dada pela diferença entre a energia total e a dissipada. ΔEútil ΔEtotal ΔEdissipada J. O rendimento ( ) é dado pela razão entre a energia útil e a total, para um mesmo intervalo de tempo. Assim, a cada período: ΔEútil η ΔEtotal η 33,3%. Resposta da questão 2: Gabarito oficial: [B] Gabarito SuperPro : Sem resposta correta. I. Incorreta. Pela conservação da energia (1ª Lei da Termodinâmica): Q 2 Q 1 = W. II. Incorreta. Não necessariamente um ciclo termodinâmico é composto de duas isotermas e duas adiabáticas. Esse é o caso do ciclo de Carnot. Há outros ciclos termodinâmicos reversíveis: Ciclo de Ericsson, composto por duas isotermas de duas isobáricas alternadas; Ciclo de Stirling, composto por duas isotermas de duas isométricas alternadas. III. Incorreta. As temperaturas das fontes quente e fria são mantidas constantes. Por exemplo, a temperatura da fonte quente é mantida pelo fogo, queimando-se algum combustível; a fonte fria, na maioria dos casos, é o próprio meio ambiente. Resposta da questão 3: [B] A segunda lei da Termodinâmica afirma: É impossível uma máquina Térmica, operando em ciclos, transformar integralmente calor em trabalho. Em termos de cálculo, ela pode ser traduzida pela expressão do ciclo de Carnot, que dá o máximo rendimento ( η ) possível para uma máquina térmica operando em ciclos entre uma fonte quente e uma fonte fria, respectivamente, a temperaturas absolutas T 1 e T 2 : T2 η 1. T 1 Para transformar integralmente calor em trabalho, o rendimento teria que ser igual η 1. Nesse caso: T T T2 0 K. T1 T1 Ou seja, temperatura da fonte fria deveria ser zero absoluto, o que é um absurdo. Resposta da questão 4: [C] De acordo com a segunda lei da termodinâmica. È impossível uma máquina térmica, operando em ciclos, converter integralmente calor em trabalho. Resposta da questão 5: Mg P Patm P Pa 102 kpa A 0,2 2. A figura mostra as forças que agem no êmbolo. Página 5 de 6

6 Para haver equilíbrio: Fgás P Fatmosfera Pgás S P Patm S Pgás 0, ,2 P gás 0, Pgás Pa PI VI PII VII VII PI VII ,02 T T V P V II I II I 3. A evolução foi isotérmica T constante ΔU 0 Pela Primeira Lei da Termodinâmica ΔU Q W 0 Q W Como ocorreu uma expansão W 0 Q 0 o gás recebeu calor. Resposta da questão 6: [C] Resposta da questão 7: [A] Resposta da questão 8: [C] Resposta da questão 9: [A] Os motores utilizados em veículos queimando combustíveis são máquinas térmicas que aproveitam o calor gerado na combustão para produzir trabalho. Resposta da questão 10: [E] O calor produzido pelo núcleo tem um longo caminho até que o vapor gerado acione as turbinas. Neste caminho, há perdas expressivas de energia. Resposta da questão 11: [D] O rendimento das máquinas térmicas é bastante baixa. Resposta da questão 12: a) P = 125 kw b) V = kg/s c) R = 16,7 % Resposta da questão 13: a) P = 40 MW b) θ = 3 C Resposta da questão 14: [D] I. Correta. Há necessidade de correntes de convecção para uniformizar a temperatura. II. Errado. A formação de gelo impede a circulação do calor. III. Correto. A limpeza facilita a troca de calor retirado do interior com o meio externo Página 6 de 6