Terceira área - if

INSTITUTO DE FÍSICA DA UFRGS
3a Lista de FIS01038 – Prof. Thomas Braun
Termodinâmica
1. Suponha que uma pessoa agite vigorosamente, durante algum tempo, uma garrafa
térmica contendo água. (a) A temperatura da água aumenta, diminui ou não se altera?
(b) Houve transferência de calor para a água da garrafa?
2. Sabemos que, se há um corpo quente e outro mais frio, calor será transferido do corpo
quente ao corpo frio até que os dois atinjam a mesma temperatura. No universo também há
lugares quentes (por exemplo: as estrelas) e outros frios (por exemplo: a Terra). Assim,
haverá transferência de calor dos lugares quentes aos mais frios (por exemplo: o Sol
transfere calor à Terra por radiação) até que se atinja uma mesma temperatura em todos os
lugares. Isto implica que o futuro nos reserva a morte térmica do universo! Nesta situação,
uma vez que todo universo está a uma mesma temperatura, qualquer tipo de máquina
térmica não funcionará, pois não há como distinguir entre a fonte quente e a fonte fria –
aspecto essencial para o funcionamento de uma máquina térmica. De igual modo, não há
como conceber a existência de um organismo vivo se toda a matéria tem a mesma
temperatura! Comente sobre o acerto desta afirmativa, justificando.
3. Sabemos que um sistema isolado tem a tendência de se tornar mais desordenado,
maximizando a sua entropia. Também sabemos que na biosfera terrestre, a partir do
momento em que surgiu a vida, os organismos vivos foram evoluindo, aparecendo
organismos cada vez mais estruturados. Portanto, o processo evolutivo implica
“transformar” organismos com baixo grau de ordem (alta entropia) em organismos de alto
grau de ordem (baixa entropia). Assim sendo, o processo evolutivo está em desacordo com
a expectativa física de que um sistema como a biosfera deva aumentar a sua entropia!
Comente sobre o acerto desta afirmativa, justificando.
4. Considere que 200 J de trabalho são realizados sobre um sistema e 70,0 cal de calor são
extraídos dele. Do ponto de vista da 1a lei da termodinâmica, quais os valores (incluindo os
sinais algébricos) de W, Q e ∆U?
R: –200 J; –293 J; –93J.
5. Um sistema termodinâmico
para um estado B e, depois,
de volta ao estado A, via C,
como mostra o caminho
ABCA no diagrama PV da
figura ao lado. a) Complete
a tabela ao lado, atribuindo
os sinais + ou – ou zero,
conforme o caso, às
grandezas termodinâmicas
é levado do estado inicial A
P (Pa)
40
Processo Q
W
∆U
C
+
A→B
10 A
B
B→C
1
4
+
V(m3)
C→A
1
associadas a cada processo; b) calcule o trabalho realizado pelo sistema para o ciclo
completo ABCA.
R: a) – 45 J.
6. Uma massa de nitrogênio sob pressão constante de 1,25 M Pa sofre um decréscimo de
volume de 2,40 m3 para 1,60 m3. Calcular o trabalho realizado representando-o
graficamente em um diagrama de PV e interpretando seu sinal.
R: –1,00 MJ.
7. Suponha que um gás se expanda de 1,0 para 4,0 m3,
enquanto que sua pressão diminui de 40 para 10 Pa. Quanto
trabalho é realizado pelo gás, de acordo com cada um dos três
processos mostrados no diagrama PV ao lado?
R: 120 J; 75 J; 30 J.
P (Pa)
40
A
B
10
C
1,0
4,0 V (m3)
8. A eficiência de uma estação de energia é 33,3 %. Ela produz 1 Gigawatt-hora de energia
elétrica (trabalho útil) por dia. (1 Gigawatt-hora = 109 W.h.) O calor liberado pela estação
de energia deve ser:
a) 2 Gigawatt-hora.
b) 1 Gigawatt-hora.
c) 1/3 Gigawatt-hora.
d) 3 Gigawatt-hora.
e) 2/3 Gigawatt-hora.
Eletricidade
1. Uma carga elétrica encontra-se no espaço e não há força atuante sobre ela. Nestas
condições, discuta se é possível haver outra carga elétrica na vizinhança da primeira.
2. Três cargas pontuais estão dispostas como mostra a figura.
q1 = -4 C, q2 = 5 C e q3 = 3 C. Se r1 = 0,5 m e r3 = 0,8 m, ache a
força atuante sobre q2 devida às outras cargas.
R: 9,31 x 10-7 N apontando para à esquerda.
B
A
q1
r1
q2
q3
r3
3. Na figura ao lado as linhas de força à
esquerda têm o dobro da separação
daquelas à direita. a) Se a magnitude do
campo elétrico em A é de 40 N/C, que
força atua sobre um próton em A (qpróton =
1,602 x 10-19)? Qual é a magnitude do
campo em B?
R: a) 6,4 x 10-18 N b) 20 N/C.*
2
r
E
4. Considere o dipolo elétrico ao lado. Determine
no
ponto P, distante x do dipolo. a) Ache uma expressão
para E em termos de k (k = 9,0× 109 N.m2/C2), q, a, e x.
b) Como se altera a expressão anterior no limite x >> a ?
a
Lembre-se que senθ =
, cos θ = ... .
a2 + x2
k (2aq )
k (2aq) kp
b) E ≅
R: a) E = 2
= 3.
2 32
x3
x
(a + x )
+q
a
θ
θ
x
P
a
-q
5. Entre duas placas condutoras carregadas (para simplificar, considere-as de tamanho
infinito) existe uma determinada diferença de potencial elétrico (ddp). a) Isto implica que
há um campo elétrico entre as placas? b) Se a ddp se mantiver no mesmo valor, mas a
distância entre as placas diminuir para metade, como será alterado o campo elétrico?
R: a) sim b) o campo dobra.
6. A ddp entre a terra e uma nuvem numa tempestade foi registrada como sendo 1,2 x 109
V. Qual é a variação na magnitude da energia potencial elétrica de um elétron que se move
entre a terra e a nuvem (qelétron = 1,602 x 10-19)?
R: 1,92 x 10-10 J.
7. Quando ocorre um raio numa tempestade, a ddp entre a nuvem e a terra pode ser da
ordem de 1,0 x 109 V e a carga transferida na descarga em torno de 30 C. a) Determine a
variação de energia da carga transferida. b) Se toda essa energia liberada durante a
transferência da carga na descarga é usada para acelerar do repouso um carro de 1000 kg,
qual será a velocidade final do carro?
R: a) 3 x 1010 J b) 7,7 km/s.
r
E
8. Uma carga q = 10×10-6 C e com massa m = 20 g
encontra-se inicialmente numa região com campo
elétrico constante E = 2000 V/m. Quando ela é liberada
para se movimentar, qual é a sua velocidade em x = 5 m?
R: 3,46 m/s.
q
-1
0
5
Ondas
1. Uma onda essencialmente é uma perturbação que se propaga adiante, transportando
energia. Tomando como parâmetros a perturbação e a propagação, como se pode classificar
as ondas? Explique por que a “onda” que o surfista “pega” no mar não é uma onda no
sentido físico?
3
2. O que é polarização? É possível polarizar uma onda longitudinal?
3. Você escuta um colega falando no corredor sem vê-lo. Esse fato está relacionado com a
difração ou interferência das ondas sonoras? Qual é a grandeza física responsável pelo fato
que ondas sonoras mais intensas podem causar dor no nosso ouvido (em casos extremos, o
som pode perfurar o tímpano!). Na verdade qualquer tipo de onda, independente da sua
intensidade, transporta esta grandeza física e toda aplicação prática de ondas se fundamenta
nisto.
4. Considere duas fontes de ondas puntiformes. O que significa dizer que elas são fontes
coerentes? Dê um exemplo e um contra-exemplo.
5. A difração de ondas a partir de duas fontes contíguas provoca a interferência na região
em torno das fontes. Comente a veracidade dessa informação e dê exemplos dessa situação
e de como ela pode ser visualizada.
6. Na figura ao lado A e B representam fontes puntiformes que operam em fase e com o
mesmo comprimento de onda de 1m. As fontes estão separadas por d = 4 m. Ache os três
primeiros máximos de intensidade ao longo do eixo x a partir de A.
R: 1,17 m, 3,00 m e 7,50 m.
A
x
d
B
4