Estudo da Física. Prof. Railander Borges

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2 Estudo da Física Prof. Railander Borges Fale com o Professor: rayllander.silva.borges@gmail.com Facebook: Raylander Borges ASSUNTO: MAQUINAS TÉRMICAS + CICLO DE CARNOT + SEGUNDA LEI TERMOD. 1. O desenvolvimento de teorias científicas, geralmente, tem forte relação com contextos políticos, econômicos, sociais e culturais mais amplos. A evolução dos conceitos básicos da Termodinâmica ocorre, principalmente, no contexto a) da Idade Média. b) das grandes navegações. c) da Revolução Industrial. d) do período entre as duas grandes guerras mundiais. e) da Segunda Guerra Mundial. 2. Uma máquina térmica que opera, segundo o ciclo de Carnot, executa 10 ciclos por segundo. Sabe-se que, em cada ciclo, ela retira 800 J da fonte quente e cede 400 J para a fonte fria. Se a temperatura da fonte fria é igual a 27 C, o rendimento dessa máquina e a temperatura da fonte quente valem, respectivamente, a) 20%; 327 K. b) 30%; 327 K. c) 40%; 700 K. d) 50%; 600 K. 3. Atualmente, os combustíveis mais utilizados para o abastecimento dos carros de passeio, no Brasil, são o etanol e a gasolina. Essa utilização somente é possível porque os motores desses automóveis funcionam em ciclos termodinâmicos, recebendo combustível e convertendo-o em trabalho útil. Com base nos conhecimentos sobre ciclos termodinâmicos, assinale a alternativa que apresenta corretamente o diagrama da pressão (P) versus volume (V) de um motor a gasolina. a)

3 b) c) d) e) 4. As máquinas térmicas são capazes de converter calor em trabalho. Elas funcionam em ciclos e utilizam duas fontes de temperaturas diferentes: uma quente, de onde recebe calor, e uma fria, para onde o calor rejeitado é direcionado. A respeito das máquinas térmicas, é importante saber que elas não transformam todo o calor em trabalho, ou seja, o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 100%. Um esquema de máquina térmica eficiente é mostrado na figura a seguir: No que diz respeito à máquina representada, assinale a alternativa CORRETA. a) Ela é ideal. b) Pode funcionar como esquematizada, uma vez que não viola as Leis da Termodinâmica. c) Só pode funcionar entre essas temperaturas, se o calor rejeitado for igual a 12 kj. d) Trabalha abaixo da eficiência de Carnot. e) Não pode funcionar da forma esquematizada. 5. Duas máquinas térmicas ideais, 1 e 2, têm seus ciclos termodinâmicos representados no diagrama pressão volume, no qual estão representadas quatro transformações isotérmicas (T maior e T menor ) e quatro transformações adiabáticas. O ciclo ABCDA refere-se à máquina 1 e o ciclo EFGHE, à máquina 2.

4 Sobre essas máquinas, é correto afirmar que, a cada ciclo realizado, a) o rendimento da máquina 1 é maior do que o da máquina 2. b) a variação de energia interna sofrida pelo gás na máquina 1 é maior do que na máquina 2. c) a variação de energia interna sofrida pelo gás na máquina 1 é menor do que na máquina 2. d) nenhuma delas transforma integralmente calor em trabalho. e) o rendimento da máquina 2 é maior do que o da máquina 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 7. Em um refrigerador, o fluido refrigerante passa por processos termodinâmicos que permitem que o calor seja removido de um ambiente à baixa temperatura e levado para outro de temperatura maior. Nesse processo, ora o trabalho é realizado sobre o fluido refrigerante, ora é ele que realiza trabalho sobre o meio. Esquematicamente, as etapas de tais processos são representadas a seguir.

5 Nesse ciclo, ocorrem uma expansão adiabática e uma compressão adiabática, respectivamente, entre: a) 4 e 1; 2 e 3. b) 4 e 1; 1 e 2. c) 3 e 4; 1 e 2. d) 2 e 3; e 8. 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% O motor de combustão interna, utilizado no transporte de pessoas e cargas, é uma máquina térmica cujo ciclo consiste em quatro etapas: admissão, compressão, explosão/expansão e escape. Essas etapas estão representadas no diagrama da pressão em função do volume. Nos motores a gasolina, a mistura ar/combustível entra em combustão por uma centelha elétrica. Para o motor descrito, em qual ponto do ciclo é produzida a centelha elétrica? a) A b) B c) C d) D e) E 10. O processo de expansão ou compressão de um gás em um curto intervalo de tempo pode representar um processo termodinâmico que se aproxima de um processo adiabático. Como exemplo, pode-se mencionar a expansão de gases de combustão em um cilindro de motor de automóvel em alta rotação. É correto afirmar que, em um processo adiabático no sistema, a) a temperatura é constante e o trabalho realizado pelo sistema é nulo.

6 b) não há transferência de calor. c) a pressão e o volume são constantes. d) a energia interna é variável e a pressão é constante. 11. 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 12. Uma máquina de Carnot, operando inicialmente com rendimento igual a 40%, produz um trabalho de 10 joules por ciclo. Mantendo-se constante a temperatura inicial da fonte quente, reduziu-se a temperatura da fonte fria de modo que o rendimento passou para 60%. Com isso, o módulo da variação percentual ocorrida no calor transferido à fonte fria, por ciclo, é de a) 67% b) 60% c) 40% d) 33% e) 25% 13. Até 1824 acreditava-se que as máquinas térmicas, cujos exemplos são as máquinas a vapor e os atuais motores a combustão, poderiam ter um funcionamento ideal. Sadi Carnot demonstrou a impossibilidade de uma máquina térmica, funcionando em ciclos entre duas fontes térmicas (uma quente e outra fria), obter 100% de rendimento. Tal limitação ocorre porque essas máquinas a) realizam trabalho mecânico. b) produzem aumento da entropia. c) utilizam transformações adiabáticas. d) contrariam a lei da conservação de energia. e) funcionam com temperatura igual à da fonte quente. 14. 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.

7 Para realizar um trabalho (W) de 600J, o calor absorvido deve ser de a) 2.400J. b) 1.800J. c) 1.581J. d) 967J. e) 800J. 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. (Adaptado de: OLIVEIRA, A. O Caos e a Ordem. Ciência Hoje. Disponível em: < ordem>. Acesso em: 10 abr ) 15. Considerando a afirmação presente no texto a tendência das coisas de se desordenarem espontaneamente é uma característica fundamental da natureza, e com base nos 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

8 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. 16. Analise as proposições com relação às leis da termodinâmica. 1. 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. 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 18. 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?

9 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. 19. 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. 20. Com base nas Leis da Termodinâmica, analise as afirmativas a seguir: I. Existem algumas máquinas térmicas que, operando em ciclos, retiram energia, na forma de calor, de uma fonte, transformando-a integralmente em trabalho. II. Não existe transferência de calor de forma espontânea de um corpo de temperatura menor para outro de temperatura maior. III. Refrigeradores são dispositivos, que transferem energia na forma de calor de um sistema de menor temperatura para outro de maior temperatura. Está(ão) CORRETA(S) a) apenas I. b) apenas II. c) apenas I e III. d) apenas II e III. e) I, II e II 21. Pode-se associar a segunda lei da Termodinâmica a um princípio de degradação da energia. Assinale a alternativa que melhor justifica esta associação. a) A energia se conserva sempre. b) O calor não flui espontaneamente de um corpo quente para outro frio. c) Uma máquina térmica operando em ciclo converte integralmente trabalho em calor. d) Todo sistema tende naturalmente para o estado de equilíbrio. e) É impossível converter calor totalmente em trabalho. 22. De acordo com a 2ª Lei da Termodinâmica leia e analise as seguintes afirmações: I. Para produzir trabalho continuamente, uma máquina térmica, operando em ciclos, deve

10 necessariamente receber calor de uma fonte quente e ceder parte dele a uma fonte fria. II. A Segunda Lei da Termodinâmica não se aplica aos refrigeradores, porque estes transferem calor da fonte fria para a fonte quente. III. A importância do ciclo de Carnot reside no fato de ser o ciclo de rendimento igual a 100%. IV. É possível construir uma máquina térmica operando em ciclos, cujo único efeito seja retirar calor de uma fonte e transformá-lo em uma quantidade equivalente de trabalho. V. O rendimento das máquinas térmicas quentes é definido como a razão entre o trabalho realizado pela máquina e a energia total fornecida à mesma. Assinale a alternativa CORRETA. a) Apenas as afirmações I e V são verdadeiras. b) Apenas as afirmações I, II e IV são verdadeiras. c) Apenas as afirmações I, II e III são verdadeiras. d) Apenas as afirmações II e V são verdadeiras. e) Apenas as afirmações II, III e IV são verdadeiras. GABARITO: 1. C 2. D 3. B 4. E 5. D 6. B 7. C 8. A 9. C 10. B A 11. B 12. D 13. B 14. A 15. A 16. C 17. A 18. A 19. A 20. D 21. E