Universidade Federal Rural do Semi – Árido (UFERSA

Universidade Federal Rural do Semi – Árido (UFERSA)
Departamento de Ciências Exatas e Naturais (DCEN)
Bacharelado em Ciências e Tecnologia (BCT)
Lista de exercícios de Ondas e Termodinâmica
Profª. Erlania, Jusciane e Luciana
Lista III de Ondas e Termodinâmica
1.
Um gás ideal, em um cilindro, está a uma pressão P e com volume V.Durante um processo adiabático quase-estático, o
gás é comprimido até que seu volume diminuiu para V/2. Então, em um processo quase-estático isotérmico, o gás se
expande até o seu volume atinja novamente o valor V. Que tipo de processo trará o sistema ao seu estado original? Esboce
o ciclo em um gráfico.
2.
Um gás ideal, inicialmente a 20 º C e a 200 kPa, tem um volume de 4,00 L. Ele sofre uma expansão isotérmica quaseestática até a sua pressão reduzido para 100 kPa. Encontre (a) o trabalho realizado pelo gás, e (b) o calor absorvido
pelo gás durante a expansão.
3.
Uma amostra de 0,500 mol de um gás monatômico ideal, a 400 kPa e 300 K, expande-se quase-estaticamente até que sua
pressão diminui para 160 kPa. Determine a temperatura e o volume finais do gás, o trabalho realizado por ele e o calor que
ele absorve, se a expansão é (a) isotérmica e (b) adiabática.
4.
Dois moles de um gás ideal são comprimidos em um cilindro a uma temperatura constante de 85,0 0C até que sua pressão
original tenha triplicado. (a) Desenhe um diagrama PV pra esse processo. (B) Calcule o trabalho realizado pelo gás.
5.
No ponto D na figura abaixo, a pressão e a temperatura de 2,00 mol de um gás monoatômico ideal são 2,00 atm e 360 K,
respectivamente. O volume do gás no ponto B no diagrama PV é três vezes o volume no ponto D e sua pressão é o dobro
da pressão no ponto C. Os Caminhos AB e CD representam processos isotérmicos. O gás é transportado através de um
ciclo completo ao longo do caminho DABCD. Determinar o trabalho feito pelo gás e o calor absorvido por ele absorvido,
em cada etapa do processo.
6.
A figura abaixo mostra um ciclo fechado para um gás (a figura não é feita em escala). A variação na energia interna do
gás quando ele se move de a para c ao longo da trajetória abc é -200 J. Quando ele se move de c para d, 180 J precisam
ser transferidos para ele como calor. É necessária uma transferência de calor adicional de 80 J quando ele se move de d
para a. Que trabalho é realizado sobre o gás quando ele se move de c para d?
7.
Durante uma expansão adiabática, a temperatura de 0,450 mol de um gás ideal cai de 50 oC para 10oC. (a) Desenhe um
diagrama PV para esse processo? (b) Calcule o trabalho realizado pelo gás. (c) Qual a variação da energia interna do
gás?
Na figura abaixo uma amostra de gás se expande de V0 para 4,0V0 enquanto a pressão diminui de P 0 para P0/4,0. Se V0 =
1,0 m3 e P0 = 40 Pa, qual é o trabalho realizado pelo gás se a pressão varia com o volume de acordo (a) com a trajetória
A, e (b) com a trajetória C?
8.
9.

O motor do carro esportivo Ferrari F355 F1 injeta o ar a 20ºC e 1,0 atm e comprime-o adiabaticamente até atingir 0,0900
do seu volume inicial. O ar pode ser considerado um gás ideal com γ = 1,40. a) Desenhe um diagrama PV para esse
processo. b) Calcule a temperatura e a pressão no estado final.
10. Um sistema termodinâmico vai do estado a até o estado c mostrado na Figura abaixo pelo caminho abc ou pelo caminho
adc. Pelo caminho abc, o trabalho W realizado pelo sistema é igual a 450 J. Pelo caminho adc, W é igual a 120 J. As
energias internas de cada um dos quatro estados mostrados na Figura são U a=150J, Ub=240J, Uc=680J, e Ud=330J.
Determine o calor trocado em cada um dos quatro processos ab, bc, ad e dc e verifique que, em todos, se o sistema
absorve ou libera calor.
11. Trabalho realizado em um processo cíclico. a) Na figura abaixo, considere a malha 1-3-2-4-1. Esse processo é cíclico
porque o estado final coincide com o inicial. Calcule o trabalho total realizado pelo sistema nesse processo cíclico e
mostre que ele é igual a área no interior da curva fechada. b) Como se relaciona o trabalho realizado no item (a) com o
trabalho realizado quando o ciclo for percorrido em sentido inverso, 1-4-2-3-1?
12. Você chuta uma bola de futebol, comprimindo-a, de repente, até 2/3 de seu volume original. Nesse processo, você
realiza 410 J de trabalho sobre o ar (considerando um gás ideal) dentro da bola. (a) Qual é a variação da energia interna
do ar dentro da bola devido à compressão? (b) A temperatura do ar dentro da bola aumenta ou diminui devido à
compressão? Explique.
13. Quando uma quantidade de gás monoatômico ideal se expande a uma pressão constante de 4,0x10 4 Pa, o volume do gás
aumenta de 2,0x10-3 m3 para 8,0x10-3 m3. Qual a variação da energia interna do gás?
14. Um gás ideal é primeiro resfriado sem variação de volume, e depois expandido sem variação de pressão, como mostra o
caminho abc. Compare a temperatura final do gás com sua temperatura inicial. (b) Quanto calor o ar troca com o meio
ambiente durante o processo abc? O ar absorve calor ou libera calor durante esse processo? Explique.
15. Um grande balão de pesquisa contendo 2,0x103 m3 de gás hélio a 1 atm e a uma temperatura de 15 0C sobe rapidamente
a partir do nível do solo a uma altitude em que a pressão atmosférica á apenas 0,900 atm. Suponha que o hélio se
comporte como um gás ideal e que a subida do balão seja tão rápida que não permita trocas de calor significativas com o
ar circundante. (a) Calcule o volume do gás na altitude mais elevada. (b) Calcule a temperatura do gás na altitude mais
elevada.
16. Motor a gasolina. Um motor a gasolina consome 16100J de calor e realiza 3700J de trabalho em cada ciclo. O calor é
obtido pela queima de gasolina com calor de combustão igual a 4,60x104J/g. (a) Qual é a eficiência térmica? (b) Qual é a
quantidade de calor rejeitada em cada ciclo? Qual a massa de combustível queimada em cada ciclo? (d) Se o motor gira
com 60,0 ciclos por segundo, qual é a potência fornecida pelo motor em quilowatts?
17. Um motor a gasolina produz uma potência igual a 180kW. Sua eficiência é 28%. (a) Qual é a quantidade de calor
fornecida para a máquina por segundo? (b) Qual é o calor rejeitado pela máquina por segundo?
18. Certa usina termelétrica alimentada por reação nuclear produz uma potência mecânica (usada para operar um gerador
elétrico) igual a 33MW. Sua taxa de absorção de calor de reator nuclear é igual a 1300MW. (a) Qual é a eficiência
térmica? (b) Com que taxa o calor é rejeitado?
19. Calcule a eficiência teórica de um motor do ciclo de Otto com γ=1,40 e r=9,50, a temperatura da mistura ar-gasolina
quando ela entra no cilindro é igual a 220C. (b) Se esse motor requer 10000J de calor da queima de seu combustível,
quanto calor ele rejeita para o ar exterior.
20. O motor do ciclo de Otto de um Mercedes-Benz SLK230 tem uma razão de compressão igual a 8,8. (a) Qual é a
eficiência ideal do motor? Use γ=1,40. (b) O motor de um Dodge Viper GT2 possui uma razão de compressão
ligeiramente maior e igual a 9,6. Qual é o aumento da eficiência ideal produzido por esse aumento da razão de
compressão?
21. Um condicionador de ar em uma sala tem um coeficiente de desempenho igual a 2,9 em um dia quente, e usa 850W de
potência elétrica. (a) Quantos joules de calor o condicionador de ar retira da sala em um minuto? (b) Quantos joules de
calor o condicionador fornece ao ar quente em um minuto? (c) Explique porque suas respostar às partes (a) e (b) não são
iguais.
22. Um freezer possui um coeficiente de desempenho igual a 2,40. O freezer deve converter 1,80kg de água a 25 0C em
1,80kg de gelo a -5oC em uma hora. (a) Que quantidade de calor deve ser removida da água a 25 oCpara convertê-la em
gelo a -5oC? (b) Qual é a energia elétrica consumida pelo freezer durante uma hora? (c) Qual é a quantidade de calor
rejeitado para a sala na qual o freezer está localizado?
23. Uma máquina de Carnot opera entre dois reservatórios com temperatura de 520K e 300K. (a) Se a máquina recebe
6,45kJ de calor do reservatório a 520K em cada ciclo, quantos joules por ciclo ela rejeita ao reservatório de 320K? (b)
Qual é o trabalho mecânico produzido pela máquina durante cada ciclo? (c) Qual é a eficiência térmica da máquina?
24. Um refrigerador de Carnot opera entre dois reservatórios de temperaturas de 320K e 270K. (a) Se em cada ciclo o
refrigerador recebe 415J de calor do reservatório a 270K, qual é a quantidade de calor em joules transferida para o
reservatório a 320K? (b) Se o refrigerador executa 165 ciclos em cada minuto, qual é a potência necessária para operar o
refrigerador? (c) Qual é o coeficiente de desempenho do refrigerador
25. Um bloco de gelo de 15kg a 0oC se liquefaz a 0 oC dentro de uma sala grande com uma temperatura de 20 oC. Considere
o gelo e a sala um sistema isolado, e suponha que a sala seja grande o bastante para que sua variação de temperatura
possa ser desprezada. (a) A liquefação do gelo é reversível ou irreversível? Explique usando raciocínio físico simples e
sem recorrer a nenhuma equação. (b) Calcule a variação de entropia total do sistema durante esse processo. Comente se
esse resultado é compatível ou não com a sua resposta da parte (a).
26. Em um processo reversível, 3 moles de um gás ideal são comprimidos isotermicamente a 20 oC. Durante a compressão,
um trabalho de 1850J é realizado sobre o gás. Qual é a variação de entropia do gás?
27. Qual é a variação de entropia de 0,130kg do gás hélio no seu ponto de ebulição normal quanto ele condensa
isotermicamente em 1,0l de hélio líquido?
28. Calcule a eficiência térmica da máquina que usa n moles de um gás ideal diatômico e executa o ciclo 1-2-3-4-1 mostrado
na figura abaixo:
29. Sendo um engenheiro mecânico iniciante, você é contratado para projetar uma máquina de Carnot que tem 2,0 moles de
gás ideal monoatômico como sua substância de trabalho e um reservatório de alta temperatura (500 0 C). A máquina deve
erguer um peso de 15 Kg até 2,0 m por ciclo, usando 500 J de calor fornecido. O gás na câmara da máquina pode ter um
volume mínimo de 5,0 L durante o ciclo. (a) Qual deve ser a temperatura do reservatório frio? (b) Qual é a eficiência da
máquina? e (c) Qual é a pressão máxima que a câmara de gás pode suportar?