Leis da Termodinâmica 0,20 m

Leis da Termodinâmica
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:
Q2 é a energia retirada do reservatório de maior
temperatura (T2) a cada ciclo. Q1 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, Q1+Q2 = 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, T2 diminui e T1 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: www.inovacaotecnologica.com.br.
Acesso em: 22 jul. 2010 (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 VI.
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d) 100.
e) 90.
7. (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 VII .
Com base nessas informações, determine a razão
VII / VI entre os volumes.
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) - 60.
c) - 80.
8. (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.
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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:
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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 BrasilBolívia, a quota de participação do gás natural na
geração de energia elétrica no Brasil será
significativamente ampliada. Ao se queimar 1,0kg de
7
gás natural obtém-se 5,0×10 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
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Leis da Termodinâmica
Gabarito:
Resposta da questão 1:[C]
Dados: f = 20 Hz; Etotal = 1.200 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  1.200  800  400 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
400 1
η


 η  33,3%.
ΔEtotal 1200 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 – Q1 = 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 T1 e T2:
T
η  1 2 .
T1
Para transformar integralmente calor em trabalho, o rendimento teria que ser igual η  1.
Nesse caso:
T
T2
1  1 2 
 0  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:
1. P  Patm 
Mg
200
 P  101.000 
 102.000 Pa  102 kPa
0,2
A
2. A figura mostra as forças que agem no êmbolo.
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Leis da Termodinâmica
Para haver equilíbrio: Fgás  P  Fatmosfera  Pgás  S  P  Patm  S
Pgás  0,2  200  101.000  0,2  Pgás  0,2  20000  Pgás  100.000 Pa
PI  VI PII  VII
VII PI
V 102.000



 II 
 1,02
T1
TII
VI PII
VI 100.000
3. A evolução foi isotérmica  T  cons tante  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
2
b) V = 5 . 10 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
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