Aulas 19 e 20 - Física na Veia!

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Física 3 | aulas 19 e 20 Termodinâmica
Ciclo de Carnot (1824)
Ciclo de rendimento
máximo teórico
possível, ainda assim
menor do que 100%.
máx
Nicolás Sadi Carnot
(1796-1832)
Q2
 1
Q1
| Q2 | T2

| Q1 | T1
máx
T2
 1
T1
máx  100%
Ciclo no sentido horário Ciclo Motor
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Ciclo de Otto (1876)
Nikolaus August Otto
(1832-1891)
Motor de “quatro tempos”:
1. Admissão isobárica 0-1.
2. Compressão adiabática 1-2.
3. Combustão isocórica 2-3, expansão adiabática 3-4.
4. Abertura de válvula 4-5, exaustão isobárica 5-0
Dica de link 1: www.if.ufrgs.br/~dschulz/web/ciclo_otto.htm
Dica de link 2: www.if.ufrgs.br/~dschulz/web/montagem.htm
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Exercício
1
(UnB 2011) Os materiais granulares são conjuntos com grande número de partículas
macroscópicas e têm papel fundamental em indústrias como a de mineração e construção
na agricultura. As interações entre os grãos são tipicamente repulsivas e inelásticas,
decorrendo a dissipação de energia principalmente das forças de atrito. Em muitas
ocasiões, os sistemas granulares não se comportam como gases, líquidos ou sólidos. Eles
podem ser considerados apropriadamente como outro estado da matéria. Por exemplo,
uma pilha de grãos estável se comporta como um sólido. Se a altura dessa pilha aumentar
acima de certo valor, os grãos começam a fluir. No entanto, o fluxo não será como em um
líquido, porque tal fluxo somente se dará em uma camada na superfície da pilha, enquanto
os grãos, no seu interior, ficarão em repouso.
Revista Brasileira do Ensino de Física, v. 30, nº 1, 2008 (com adaptações).
Suponha que uma colheitadeira de grãos que se comporta como uma máquina térmica de
Carnot funcione entre as temperaturas de 27 oC e 327 oC, a partir de uma potência
recebida de 1.000 W. Calcule, em joules, a quantidade máxima de energia que essa
máquina pode transformar em trabalho mecânico em 1 segundo. Para a marcação no
caderno de respostas, despreze, caso exista, a parte fracionária do resultado final obtido,
após realizar todos os cálculos solicitados.
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Exercício
1
(UnB 2011) ...
Suponha que uma colheitadeira de grãos que se comporta como uma máquina térmica de
Carnot funcione entre as temperaturas de 27 oC e 327 oC, a partir de uma potência
recebida de 1.000 W. Calcule, em joules, a quantidade máxima de energia que essa
máquina pode transformar em trabalho mecânico em 1 segundo. Para a marcação no
caderno de respostas, despreze, caso exista, a parte fracionária do resultado final obtido,
após realizar todos os cálculos solicitados.
Resolução
máx  1 
máx
T2
(27  273)
1
300
 1
 1
 1   0,5
T1
(327  273)
2
600
PU

 PU  máx  PT  0,5 1000  500 W
PT
PU 

t
  PU  t  500
J
1s  500 J
s
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(UFLA 2010) O ciclo de Carnot é constituído de duas
transformações isotérmicas a temperaturas T1 e T2 e
duas transformações adiabáticas. Considere o
diagrama P x V a seguir e o sentido do ciclo ABCDA.
É correto afirmar:
a) As variações da energia interna U nos processos BC e DA são nulas.
b) As variações da energia interna U nos processos AB e CD são nulas.
c) A temperatura associada ao processo isotérmico AB é menor do que a
temperatura associada ao processo isotérmico CD.
d) Ao final do ciclo ABCDA, o trabalho realizado é igual à variação da
energia interna U de ciclo.
Exercício
2
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Exercício
3
(UFSM 2012 adapt.) 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 (T1). 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
operando através de um ciclo de Carnot, 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.
Exercício
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4
(PUC-RS 2010) Para responder a questão,
considere o texto e o gráfico, o qual relaciona o
rendimento de uma máquina de Carnot e a razão
T2/T1 das temperaturas em que opera a máquina.
O ciclo de Carnot é um ciclo termodinâmico
especial, pois uma máquina térmica que opera de
acordo com este ciclo entre duas temperaturas, T1
e T2, com T1 maior do que T2, obtém o máximo
T2/T1
rendimento possível.
O rendimento r de uma máquina térmica é definido como a razão entre o
trabalho líquido que o fluido da máquina executa e o calor que absorve do
reservatório à temperatura T1. Pode-se concluir, pelo gráfico e pelas leis da
termodinâmica, que o rendimento da máquina de Carnot aumenta quando a
razão T2/T1 diminui:
a) alcançando 100% quando T2 vale 0 oC.
T2
b) alcançando 100% quando T1 é muito maior do que T2.
 1
máx
c) alcançando 100% quando a diferença entre T1 e T2 é muito pequena.
T1
d) mas só alcança 100% porque representa o ciclo ideal.
e) mas nunca alcança 100%.

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Exercício
5
(Enem 2011) 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.
A. X. Z. Carvalho. Física Térmica. Belo Horizonte: Pax, 2009. (Adapt.).
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.
SEGUNDO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA
É impossível a conversão integral do calor de uma fonte quente em trabalho.
TERCEIRO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA
Não pode haver um motor com rendimento 100%.
Exercício
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6
(UEPG 2010) A termodinâmica pode ser definida como uma ciência experimental baseada
em um pequeno número de princípios (leis da termodinâmica), que são generalizações
feitas a partir da experiência. Sobre as leis da termodinâmica, assinale o que for correto.
01 Nenhuma máquina térmica pode apresentar um rendimento superior ao de
uma máquina de Carnot operando entre as mesmas temperaturas.
02 A 1ª lei da termodinâmica é uma afirmação do princípio geral da conservação
da energia.
04 A 2ª lei da termodinâmica afirma que é indiferente transformar integralmente
calor em trabalho ou trabalho em calor.
08 Em um processo cíclico, a energia interna do sistema apresenta variação nula.
SOMA = 1 + 2 + 8 = 11