PROVA DE FÍSICA - 1 o TRIMESTRE 2012

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1 PROVA DE FÍSICA - 1 o TRIMESTRE 2012 PROF. VIRGÍLIO NOME Nº 9º ANO A compreensão do enunciado faz parte da questão. Não faça perguntas ao examinador. A prova deve ser feita com caneta azul ou preta. É terminantemente proibido o uso de corretor. Respostas com corretor serão anuladas. Esta prova é composta por NOVE questões dissertativas e TRÊS testes dispostas em SEIS páginas. ATENÇÃO: AS TEMPERATURAS, PARA RESOLUÇÃO DAS QUESTÕES ABAIXO, DEVEM ESTAR NA ESCALA KELVIN. A TRANSFORMAÇÃO DA ESCALA CELSIUS PARA KELVIN É DADA POR: T(K) = tc( o C) TRANSFORMAÇÕES GASOSAS: PARA CONSULTAR, SE PRECISAR: 1. ISOTÉRMICAS: Temperatura constante A energia Interna se conserva (ΔU = 0). 2. ISOMÉTRICAS: Volume constante O sistema não realiza trabalho (Trabalho = 0). 3. ISOBÁRICAS: Pressão constante. 4. ADIABÁTICAS: Transformação sem troca de Calor (Q = 0). MÁQUINA TÉRMICA: ENTROPIA: A entropia de um sistema termodinâmico isolado nunca diminui. Se o sistema sofre uma transformação reversível, sua entropia se conserva. Se o sistema sofre uma transformação irreversível, sua entropia aumenta. 1

2 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA: 01. [1,0] Transfere-se calor a um sistema, num total de 800 joules. Verifica-se que o sistema se expande, realizando um trabalho de 150 joules, e que sua energia interna aumenta. Utilizando a primeira lei da termodinâmica, calcule a variação de energia interna desse sistema. 02. [1,0] Um gás, que se comporta como gás ideal, sofre expansão sem alteração de temperatura, quando recebe uma quantidade de calor igual a 8000 J. Determine o valor do trabalho realizado pelo gás durante esse processo. 03. [1,0] Enquanto se expande, um gás recebe 1000 J de calor e realiza o trabalho de 700 J. Ao final do processo, qual foi a variação da energia interna do gás? 04. [1,0] Um gás ideal sofre uma transformação: absorve 200 J de energia na forma de calor e expande-se realizando um trabalho de 300J. Qual a variação da energia interna do gás? RASCUNHO 2

3 NOME Nº 9º ANO 05. [1,0] Um sistema termodinâmico, constituído por um gás ideal que pode expandir-se, contrair-se, produzir ou receber trabalho, receber ou fornecer calor, descreve um ciclo que pode ser representado por ABCDA ou ABEFA. Considere a evolução da energia interna do sistema em cada trecho dos ciclos. Indique com um X, no quadro, o resultado esperado. SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA / MÁQUINAS TÉRMICAS: 06. [1,0] Se olharmos ao redor, perceberemos como o mundo evoluiu a partir do século XVIII e início do XIX, com a Revolução Industrial. O advento da máquina, em suas variadas formas, alargou os horizontes do homem, proporcionando novos recursos para o desenvolvimento urbano e industrial, desde as descobertas de fontes de energia até a expansão de mercados e de territórios dentro e fora da Europa. O esquema a seguir representa o ciclo de operação de determinada máquina térmica cujo combustível é um gás. Quando em funcionamento, a cada ciclo o gás absorve calor (Q 1 ) de uma fonte quente, realiza trabalho mecânico (W) e libera calor (Q 2 ) para uma fonte fria, sendo a eficiência da máquina medida pelo quociente entre W e Q 1. Uma dessas máquinas, que, a cada ciclo, realiza um trabalho de J com uma eficiência de 60%, foi adquirida por certa indústria. Em relação a essa máquina, determine os valores de Q 1, de Q 2. 3

4 07. [1,0] O ciclo de Carnot foi proposto em 1824 pelo físico francês Nicolas L. S. Carnot. O ciclo consiste numa seqüência de transformações, mais precisamente de duas transformações isotérmicas (TH para a fonte quente e TC para a fonte fria), intercaladas por duas transformações adiabáticas, formando, assim, o ciclo. Na sua máquina térmica, o rendimento seria maior quanto maior fosse a temperatura da fonte quente. No diagrama a seguir, temos um ciclo de Carnot operando sobre fontes térmicas de TH = 800 K e TC = 400 K. Admitindo-se que o ciclo opera com fonte quente, recebendo 1000 J de calor, responda: a) Determine o rendimento dessa máquina de Carnot. b) Essa máquina vai realizar um trabalho. Qual é o seu valor? 08. [1,5] A turbina de um avião tem rendimento de 80% do rendimento de uma máquina ideal de Carnot operando às mesmas temperaturas. Em vôo de cruzeiro, a turbina retira calor da fonte quente a 127 C e ejeta gases para a atmosfera que está a -33 C. a) Qual o valor das temperaturas acima, na escala kelvin. b) Qual o rendimento teórico, se a máquina operasse segundo Carnot? c) Determine o rendimento real dessa turbina. 4

5 NOME Nº 9º ANO 09. [0,5] No Brasil, o álcool tem sido largamente empregado em substituição à gasolina. Uma das diferenças entre os motores a álcool e à gasolina é o valor da razão de compressão da mistura ar-combustível. O diagrama a seguir representa o ciclo de combustão de um cilindro de motor a álcool. Durante a compressão (trecho if) o volume da mistura é reduzido de V i para V f. A razão de compressão r é definida como r = V i /V f. Valores típicos de r para motores a gasolina e a álcool são, respectivamente, r(g) = 9 e r(a) = 11. A eficiência termodinâmica E de um motor é a razão entre o trabalho realizado num ciclo completo e o calor produzido na combustão. A eficiência termodinâmica é função da razão de compressão e é dada por: E = 1-1/ r. Qual a eficiência termodinâmica dos motores a álcool? [1,5] TESTES: 01. O gráfico representa a transformação de um gás ideal que passa do estado I para o estado II e, depois, do estado II para o estado III. Para que o gás passe do estado I para o II, é necessário que se lhe forneçam 100 kj de calor; para que passe do estado II para o III, que se lhe retirem 50 kj de calor. Sabe-se que a pressão do gás no estado I é de 100 kpa. Pode-se afirmar que a variação da energia interna do gás ao passar do estado I para o III é igual a: a) zero b) kj c) - 50 kj d) kj e) kj 02. Uma máquina térmica ideal opera recebendo 450J de uma fonte de calor e liberando 300J no ambiente. Uma segunda máquina térmica ideal opera recebendo 600J e liberando 450J. Se dividirmos o rendimento da segunda máquina pelo rendimento da primeira máquina, obteremos a) 1,50. b) 1,33. c) 1,00. d) 0,75. e) 0,25. RASCUNHO 5

6 03. (DESAFIO) A eficiência de uma máquina de Carnot que opera entre a fonte de temperatura alta (T 1 ) e a fonte de temperatura baixa (T 2 ) é dada pela expressão n = 1 - (T 2 /T 1 ), em que T 1 e T 2 são medidas na escala absoluta ou de Kelvin. Suponha que você dispõe de uma máquina dessas com uma eficiência n = 30%. Se você dobrar o valor da temperatura da fonte quente, a eficiência da máquina passará a ser igual a: a) 40% b) 45% c) 50% d) 60% e) 65% RASCUNHO Boa Prova e... Aquele Abraço!! Virgílio 6