Resumo e exercícios de termodinâmica Sex, 30 de Julho de 2010 23:04 TERMODINÂMICA www.nilsong.com.br I) RESUMO DE FÓRMULAS DE TERMODINÂMICA (PRIMEIRA E SEGUNDA LEI) A) PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA Estuda a relação entre as trocas de calor ocorridas entre o meio externo e o sistema , a variação de energia interna e o trabalho realizado decorrentes da variação de volume. a) Equações gerais -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------. Descrição Equações Equação da 1ª lei da termodinâmica Q = ΔU + ζ Variação de energia interna ΔU(para = n.Cqualquer processo) V. Trabalho (requer uso de cálculo dζ = P.dV integral) Equação de Clapeyron P.V = n.R.T Equação geral para um gás P perfeito no sistema 1 (T - T o .(V 1 1 / 13 Resumo e exercícios de termodinâmica Sex, 30 de Julho de 2010 23:04 Forma avançada da 1ª leidQ da =termodinâmica n.C (requer calc. integral) V .dT + P.dV O trabalho é numericamente Trabalho igual a=área ÁREA no diagrama P x V .Q = quantidade de calor recebida ou perdida pelo sistema.ΔU = variação de energia interna .n = nº de mols do componente do sistema T = temperatura final . T o = temperatura inicial R = constante universal dos gases . C V = (R/2).§ onde § = nº. de graus de liberdade do mov. das moléculas do gás ideal. . ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ b) Transformações termodinâmicas . Processo isobárico - pressão constante: Descrição Equações Trabalho realizado ou sofrido 2 / 13 Resumo e exercícios de termodinâmica Sex, 30 de Julho de 2010 23:04 ζ = P.ΔV Equaçãol dos gases perfeitos V 1 /T 1 Quantidade de calor à pressão Q constante p = n.C p Quantidade de calor à pressão Q constante p = m.c p -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Processo isovolumétrico - a volume constante. Descrição Equações Trabalho ζ=0 Calor igual a variação de Q energia = ΔU interna Equação dos gases perfeitos P 1 Calor à volume constanteQ v = n.C v Calor à volume constanteQ v = m.c v /T 1 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Processo isotérmico - a temperatura constante. Descrição Equações Variação de energia interna ΔU = 0 Calor igual ao trabalho Q = ζ Equação dos gases perfeitos P1 . V1 = P 2 . ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Processo adiabático - sistema termicamente isolado. Descrição Equações 3 / 13 Resumo e exercícios de termodinâmica Sex, 30 de Julho de 2010 23:04 Quantidade de calor trocada Q=0 Variação de energia interna ΔU = - ζ Constante γ de Poisson P .(V 1 1 . c) Transformações cíclicas (fechadas) - é a base de funcionamento das máquinas térmicas. Vaiação de energia interna Trabalho ΔU = 0 Fazer desenho Calor ζ = Área Q=ζ . ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- d) Sinais das grandezas da 1ª lei Q > 0 → o sistema ganha calor Q < 0 → o sistema perde calor ζ > 0 → ocorre expansão do sistema 4 / 13 Resumo e exercícios de termodinâmica Sex, 30 de Julho de 2010 23:04 ζ < 0 → ocorre compressão do sistema ΔU > 0 → a energia interna e a temperatura aumentam ΔU < 0 → a energia interna e a temperatura diminuem ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- B) SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA a) máquinas térmicas em geral -----------------------------------------------------------------------------------------------------------Descrição Equações Trabalho de uma máquinaζtérmica =Q Rendimento Rendimento n=ζ/T η = [1 - (Q 1 1 2 –Q 2 /Q 1 . Q 1 = calor da fonte quente Q 2 = calor da fonte fria ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- b) ciclo de Carnot - Ciclo teórico que proporcionaria um rendimento máximo, mesmo assim inferior a 100%. . Descrição Equações Rendimento máximo teórico η = [1 – (T 2 /T 1 5 / 13 Resumo e exercícios de termodinâmica Sex, 30 de Julho de 2010 23:04 Relação entre calor e temperatura (Q 2 /Q 1 .-------------------------------------------------------------------------------------------------------------.. II) EXERCÍCIOS DE REVISÃO E DE VERIFICAÇÃO DA APRENDIZAGEM Nota: Para os casos que precisam, nos exercício seguintes, considere que os sistemas sempre se comportam como um gás ideal onde não estiver mensinado! 1) Um sistema que contém 4 mols de um gás perfeito tem a sua temperatura variando isobaricamente de 50K para 250K quando recebe 16620 J de calor do meio externo conforme é mostrado no gráfico (R = 8,31 J/mol.k). 6 / 13 Resumo e exercícios de termodinâmica Sex, 30 de Julho de 2010 23:04 Determine: a) o trabalhor realizado neste intervalo de temperatura (resp: 6648 J); b) a variação de energia interna do gás (resp: 9972 J); c) a pressão exercida pelo gás ( 831 N/m²); d) a temteratura do gás quando o volume for de 7 m³ (resp: 175 K) 2) Quando um gás recebe 1200 cal do meio externo a sua energia interna aumenta de 300 cal para 700 cal. Determine o trabalho realizado por este sistema. ( resp.: 800 cal) 2.2) Um sistema ao receber calor do meio exterior evolui do estado A(1,60) para o estado C(9,10), onde passa por B(6,60) ou D(1,10) dependendo do "caminho percorrido". A temperatura do sistema no estado A é 400 K. 7 / 13 Resumo e exercícios de termodinâmica Sex, 30 de Julho de 2010 23:04 eo DA Determine: a) variação de energia de interna etapas AB, BC, AD e CD DC; 2 b) a quantidade de calor recebida ou perdida etapas AB, AD; c) em AB, DC enas AD. 3) para Em 40m³ um etransformação arealizado sua energia isobárico, interna quando aumenta um gás denas recebe 3000 cal. 4000cal Considere seu 1é cal =B(0,1;200000), aumenta 4J.um Determine: 20m³ a) pelo gás (resp: 1000cal 4180 J;se b) a trabalho pressão exercida pelo gás (resp: 209 N/m )ou 4) monoatômico C(0,4;200000), Em umaprocesso recebe D(0,4;100000) e A(0,1;100000). calor cíclica do ambiente, ABCDA segundo um sistema A otemperatura gráfico que abaixo. comporta deeAvolume Sejam 127ºC. como gásdeideal Calcule: a) variação de energia interna no ciclo ABCDA (resp: zero); b) o trabalho realizado em ABCDA (resp: 30000 J);CD c) quantidade calor recebida em ABCDA (resp: 30000 J); d) temperatura dos estados aos pontos B, C e D; T =trabalho 800K, T Cde = 3200K Ba erecebeu T Dreferentes =nas 1600K e) a variação de energia interna transformações AB, CD eesistema DA; f) realizado nas transformações BC, e BC, DA; g) a quantidade de calor recebida ou perdida nas transformações AB, BC, CD eé h) todos os ideal monoatômico itens anteriores desta questão supondo édo diatômico. 2AB, 5) volume. Neste Determine: No estado processo Ao evoluir A, o um sistema isotermicamente sistema, apresenta 4000J para respectivamente 20N/m² ode esrado do Bque omeio volume externo. 5m³ Odo sistema para passa oexterno. Sendo aDA; um pressão a ser gás 8m³. ideal. eoa a) a variação de energia interna (resp: b) o trabalho realizado (resp: 4000 J) c) oo pressão no estado B (resp: 12,5 N/m ). calor 6) estado temperatura Um gás representado do estado por A C(12,2) igual aevolui 300 e recebe certa K do ezero); estado considerando designado quantidade de Ro=gás no 8 J/mol.K, gráfico calor pelo meio ponto A(4,2) até 8 / 13 Resumo e exercícios de termodinâmica Sex, 30 de Julho de 2010 23:04 3 Calcule: a) o trabalho realizado pelo sistema 1,6 .temperatura 10no J); b) variação de energia interna (resp: 2400 J);a 3 c) a quantidade de recebida pelo sistema (resp: 4000 d) temperatura do8calor estado final sabendo que do sistema é 27ºC. (resp: 900 e) todos os K) itens anteriores desta questão considerando queJ); oAvolume gás é diatômico. 7) ganhou calor pressão variou Num processo termodinamico da linearmente vizinhaça. Se de temperatura 20N/m² de A(resp: para para B, do 15N/m² 1/16 gás mols quando estado de um um oinicial é 127ºC gás aumentou ideal e do monoatômico estado de 10m A para B 3a 30m para Considerando R = J/mol.K, dertermine: a) o trabalho realizado (resp: 350 J); b) variação de energia interna (resp: 375 J); c) a temperatura no estado B (resp: 900 K) d) quantidade de calor recebida (resp: 725 J) e) todos os valores dos itens anteriores considerando o diatômico. 7.2) C(12,10) e temperaturas e oEm sistema um . Os processo das recebe processos isotermas respectivamente termodinâmico de A(2,240) superior e ocorre para 12000 inferior B(12,40) duas Jsão e 3000 transformações respectivamente e de Jgás de C(12,10) calor do distintas para 400K meio D(2,60) externo. ede 300 A(2,240) são K. As isotérmicos para . Determine: a) as variações energia interna ΔU AB , ΔU BC , ΔU CD e ΔU DA ; b) o trabalho ζ ABde , ζde , ζ CD e BC ζ200J ;Q BCcalor c) As quantidades Q ecom DA 8) sua Num energia sistema intena diminui adiabático é de realizado para um um trabalho valor Ude 400J sobre o meio externo DA-o a) a quantidade de calor trocada meio externo (resp: zero); f . Determine: b) variação de energia interna (resp: - 400 J); c) a energia interna final U . (resp: J) f 9)mostrado é C(0,1;4000). uma Uma curva. máquina Determine: abaixo onde cada A transformação térmica recebe por de estado B para cada é.200 representado C, ciclo matematicamente, ABCA 600J por A(0,1;4000), de calor. O é uma linha B(0,1;8000) gráfico de tendência queenquanto ea descreve de a 9 / 13 Resumo e exercícios de termodinâmica Sex, 30 de Julho de 2010 23:04 a) trabalho realizado em ABCA (resp: 400 J; b) a quantidade de calor não utilizada pela máquina (resp: 200 J) c) rendimento (resp: 66,7%). B, 10) se comporta Ao receber certa o volume como segundo gás quantidade ideal amonoatômico equação dede calor do P750 =5considerando-se tem 2V +meio a 10 pressão externo, asvariando, unidade um do no estado S.I. Temos termodinâmico A para t A =o 200K estado que e R =o 8/mol.k, Dermine: a) diagrama P xno V b) o com trabalho realizado pelo sistema para ≤K). VJ); ≤estdo 15 com (resp: 300 J)sistema c) a variação de energia interna (resp: J) d) quantidade de calor recebida (resp: 1050 e) temperatura estado B (resp: 1200 f) todos os itens anteriores desta questão oparte, gás como diatômico. 11) estado T Um Agás para ideal o estado apresenta B, e as do condições estado B para de pressão, o C Temperatura conforme mostrado e volume abaixo: Considere evoluindo do = 200K. I) A: as variáveis de estado são: p , T Aestado e V o II) estado B: a pressão é mantida e o volume duplicado o III) estado C: pressão é triplicada e volume reduzido à terça em relação ao estado A o Calcule a temperatura no estado B e no estado C. T = 2T e realizado; Tuma B oUma =térmica, T osistema 12) 4000 cal para máquina fonte fria. operando Nestas condições, em ciclo, determine: 5000 de umaJtem fonte quente evariando repassa omostrado a) trabalho em cal (resp: resp: 1000 cal); b) rendimento desta máquina (resp: 20%) 13) com linha Um otracejada volume como éCtermodinâmico a linha de tendência no que gráfico obedece do gráfico. seguinte as retira leis aode receber um cal gás50000 ideal de acalor pressão do ambiente. A Determine: 2 temperatura a) o trabalho realizado aproximadamente (resp: 30600 b) variação de energia interna (resp: 19400 J); c) a temperatura final sabendo que do estado inicial éisobaricamente 200 K. (resp: 400K) 14) cilindro de área da base 2 maatravés contém de bloco 3Um atm. de um massa O gás êmbolo que M. Quando está se comporta inicialmente a uma aookg) temperatura como aumenta altura em de equilíbrio, na um de para êmbulo o 40J); cm 127ºC, da temperatura qual base. Calcule: Sobre mover-se de o êmbolo 27ºC sem está pressão a) nova altura alcançada pelo gás deslocamento do êmbolo (resp: 53,3 b) a massa do bloco (60000 15.1) para oEm estado um diagrama B, e de B PxV, para volume estado de C sofre um gás uma perfeito expansão aumenta isotérmica. Sendo T A ,do A Tecm); eatrito, T Cum temperaturas do gás nos estados A, B, provido eideal, C, ado relação correta entre aspode temperaturas é: as a) T Bestado = T > T A b) B > C A c) T B < T C = T A d) B C ← A e) T B = T C < T 15.2A) Sejam termodinâmicos estado J/mol.k. A Bé 300 A(1,40), mostrados e emB(6,40), cadanociclo C(9,10) gráfico o gás abaixo e recebeu d(1,40) de as um 1800 coordenada gás J de ideal calor monoatômico. dos do respectivos ambiente. A Considere temperatura estados R do =8 CK 10 / 13 Resumo e exercícios de termodinâmica Sex, 30 de Julho de 2010 23:04 Determine: a) o trabalho aproximado realizado ciclo; b) variação de energia interna no processo total; d) realizado nas CD DA; e) AB, BC, CDAB, eem DA; f) AIIa quantidade de calor recebida ouno perdida AB, CD e DA. 16) do estado gás x perfeito para o estado contido ytransformações em através um recipiente de uma expansão. que oeisola Considere termicamente as afirmações do meio externo, abaixo passa I) o gás sofre um resfriamento; II) o gás sofre um aquecimento III) a temperatura fica contante IV) aUm variação de energia interna diminui Estão corretas as afirmações: a) IV ← b) IV c) e III d) I e III e) III e IV 17) quantidade O estado de de calor um Q sistema para o termodinâmico meio externo. Nestas evolui isocoricamente condições é afirmado do A para o seguinte: B ao perder uma I) a tempetatura e a energia interna do sistema diminuem II) a energia interna aumenta e a temperarura diminui III) a temperatura do sistema aumenta e a energia interna diminui; IV) o trabalho nulo. Estão corretas: a) III b) I e IV ← c) II e IV d) III e) todas 18) temperatura o gás Cinco e- a4155 variação mols variando detrabalho isobaricamente energia gás ideal interna. perde 10.387,5 Joules Dado a por constante para de universal calor Calcule para oéC(9,10). De otrabalho gases ambiente R que =ao 8,31 é ter feito J/mol.k. aRsua sobre (resp: J de eabaixo - um 6232,5 J) 19) de C J/mol.K. ocalor Pelo gás realizou do gráfico meio um externo um ao sistema evoluir de 5000 composto dode J. estado A127ºC temperatura A(2,60) um27ºC. gás para no ideal estado o estado monoatômico Ados 200 K. Considere recebe 80.000 B(6,60) para = 8J Determine: a) temperatura de Bsistema b) otodos trabalho realizado de A para B; c) variação de energia interna entre A econstante B; d) interna entre C;oexpande-se e) quantidade de calor recebida entre A e B;gás e) os perde intens anteriores é proposições diatômico. 20) o estado Um sistema final. Sobre composto esta ocorrência, de um gás ideal considere as isotermicamente abaixo: do estado inicial para I) oa sistema calor para osupondo meio externo II) sistema ganha do meio externo III) aae temperatura do IV) quanidade de calor trocada com oque meio externo épelo nula. Estão corretas: a) II b) IIIevoluir ← c) Io III 2 permanece d) II e IV 34V e) IV 21) recebe Ao 3000J de do calor estado do A exterior. para o estado Essa evoluçã0 C passando ocoorre nas estado gás considerado ideal I) Do estado A para o estado B, tem-se P(V) = 30 para 10≤V≤ II) do estado B para o estado C, tem-se P(V) = 50 para 20seguintes ≤20; VB, ≤um 30; Estando a pressão em N/m e o volume em m , calcule: a) o trabalho realizado pelo gás. (resp.: 800J); b) a variação de energia interna. (2200 J); c) as temperaturas dos estados B e C, sabendo que a temperatura de A éetapas: 300k T = 600 K e T = 2100 K Btemperatura 22) gráfico uma processo a Considere transformação seguinte. termodinâmico do que a Quando estado do pressão sobre estado de Aele de Arecebe certa para 300 A(2,60) KBum gás eéconsiderando-se para isotérmico quantidade de ideal o estado monoatômico e nele C(20,20) Rocalor =gás 8 J/mol.K, passando do recebe varia ambiente com 1800 por o ovolume JB(6,20). sistema de calor. segundo O sofre Sendoo C 11 / 13 Resumo e exercícios de termodinâmica Sex, 30 de Julho de 2010 23:04 Calcule; a) o trabalho realizado realizado em Joule de para b) variação da energia interna entre A C ; quantidade de recebida de e C; c) a temperatura dos estados B(6,2) C(12,2); d) de Adesta B ; e) entre B; f) de AAA para BC; g) 2calor oquantidade trabalho para C ; h) a variação de energia interna entre B ee0,005 C ; i) a de calor recebida de B para C; j) todos os itens anteriores questão supondo que o de gás émantidas diatômico. 23) transversal 200 As extremidades cm dede B uma barra homogênia 40 cm comprimento ematéria detemperaturas área 300 k e 100 k. Determine: com condutibilidade cal/cm.s.k são nas de a) o fluxo de calor considerado estacionário (resp: cal/s); 3 b) a variação de entropia decorrente da quantidade de calor conduzido durante 40 expande-se s.de secção (Resposta: 1,67 cal/k) 24) Cinco mols de um gás ideal contido em umde recipiente impermeável ainterna isotermicamente na temperatura de 200 k, de 10 m para 27 m quando recebe calor do meio externo. Considerando R =é 8B(6,60), j/mol.k, o realizado e5 arecebe 1,75 variação da. um energia são respectivamente em Joule, em valores aproximados: 6sistema a) zero 5000 b) 8000 c) zero ee 3000 d) e zero e) 5000 1000 25)4000 Este transformação Sejam sistema A(1,60), evolui AC do isotérmica estado C(6,10) Atrabalho epara nela e oD(1,10) este estado sistema quatro C de três estados maneiras de 10 como mostra termodinâmico odográfico. externo. J de calor meio A . Determine: a) a variação de de energia interna ΔU , ΔU ABC e b) A quantidade calo recebida QkABC AC ;e ΔU ADC ; Q500 c) o trabalho realizado ζ , ζ ADC e ζ ABC AC ADC 3 3 ;temcalor 26) aumentada Considere Um sistema R isobaricamente de = 8 que J/mol.K. contém Calcule: 4 mols 300 de para um gás K monoatômico quando recebe a sua do temperatura meio a) variação de energia interna; b) a quantidade de calor recebida; c) o trabalho realizado; d) pressão exercida pelo gás quando o. aumentar dele 4m m e) volume inicial considerando que o volume final é de 10 ;cilindro f) que a variação o gás é diatômico e de energia interna, que ocorra a quantidade a mesma varição de calor de recida temperatura. e o trabalho realizado supondo 27 Doisde provido mols umde êmbolo um gás que perfeito pode mover-se encontra-se sem dentro atrito. Considere um R de = 8J raio /mol.k. 2m externo. e altura h. Ele é 2 bloco de 40 kg sobre 3o êmbolo este Com 10 m/s um fica em repouso apermanece uma permanece altura de submetido 1 m. Sendoaum g= ,sistema determine aeéde temperatura que ocorre o equilíbrio. 28) recipiente Um impermeável que acalor massa. Sendo 4segundo mols um monoatômico encontra-se R =enquanto J/mol.k, considere duas situações: este I) AO temperatura varia de 100 k por para 270 k3de enquanto oideal volume constante; II)gás volume aumenta 20 mcomo para 30 m aabaixo, temperatura contante. Determine aIque variação de entropia nos casos Io8,31 eegráfico II. 29) "caminhos" o Um recebe 2500 gás (A→C) se Jcomporta IIformado (A→B→C) do meio ideal externo evolui do agás temperatura estado A(1,16) onde do estado para B(1,2). Na o estado Agás é 100 transformação C(4,2) k. em pelos I 12 / 13 Resumo e exercícios de termodinâmica Sex, 30 de Julho de 2010 23:04 Determine, em Joule: a) , ,"caminho I";II" b) realizado no "caminho I"; AC c) variação de energia interna ΔU "Caminho AC d) o trabalho ζ realizado pelo "caminho II"; ABC e) calar Q recebida através do "caminho II". ABC f) oa trabalho realizado de Agás para B emola de B para C; g) variação de energia interna entre A e B ede entre Bêmbolo, eem C;e ABC h) acm. quantidade de calor recebida ou perdida de A para B de B para 30) contém (separado 20 Um Atubo 3/8 temperatura do de cilíndrico 1º mol pelo de êmbolo) uma do um (figura gás abaixo) para ideal. que No provido o1º fixa êmbolo compartimento constante um fique contém equilíbrio elástica o qual o1000 pode gás é: C.eN/m deslocar no e 2ºcomprimida compartimento sem atrito, de a) 100 b) 200 K; c) 300 d) 400 DO e) 500 K estudar não Considere R = 8comercial J/mol.K NOTA AUTOR: indiretamente aluno(a) comunique para O material está bem proíbido! como [email protected] para Para site é qualquer denunciar proíbidouso para qualquer por toda parte desvio atividade de profissionais. desta direta finalidade ou ainda Para o (83)91219527. ou (83)99025760 ou Nilson 13 / 13