Clique aqui e responda aos exercícios sobre as leis da Termodinâmica, que são a conservação da energia e a lei das máquinas térmicas. Questão 1
Certa máquina térmica recebe 500 J de calor e realiza um trabalho de 125 cal. Sendo 1 cal = 4 J, marque a alternativa correta. a) Essa máquina contraria a primeira lei da Termodinâmica. b) A máquina não contraria a segunda lei da Termodinâmica. c) O rendimento dessa máquina é de 25%. d) A máquina não contraria a primeira lei da Termodinâmica, que trata sobre a conservação da energia. e) Como o rendimento da máquina é de 25%, podemos afirmar que ela não contraria a primeira lei da Termodinâmica.
Questão 2
(ITA) Uma máquina térmica opera segundo o ciclo JKLMJ mostrado no diagrama T-S da figura. Pode-se afirmar que: a) processo JK corresponde a uma compressão isotérmica. b) o trabalho realizado pela máquina em um ciclo é W = (T2 – T1)(S2 – S1). c) o rendimento da máquina é dado por η = 1 – T2/T1. d) durante o processo LM, uma quantidade de calor QLM = T1(S2 – S1) é absorvida pelo sistema. e) outra máquina térmica que opere entre T2 e T1 poderia eventualmente possuir um rendimento maior que a desta.
Questão 3
(UNAMA) Um motor de Carnot cujo reservatório à baixa temperatura está a 7,0°C apresenta um rendimento de 30%. A variação de temperatura, em Kelvin, da fonte quente a fim de aumentarmos seu rendimento para 50% será de: a) 400 b) 280 c) 160 d) 560
Questão 4
A respeito da primeira lei da Termodinâmica, marque a alternativa incorreta: a) Em uma transformação isotérmica, a variação da energia interna é nula. b) A primeira lei da Termodinâmica trata da conservação da energia. c) Em uma transformação isocórica, não haverá realização de trabalho. d) Em uma transformação adiabática, o trabalho será realizado sobre gás quando a variação da energia interna é positiva. e) A primeira lei da Termodinâmica diz que o calor fornecido a um gás é igual à soma do trabalho realizado pelo gás e a sua variação da energia interna.
Resposta - Questão 1
LETRA “D” O trabalho de 125 cal corresponde a 500 J (125 cal x 4J = 500 J), logo, toda a energia recebida pela máquina é convertida em trabalho. Isso não contraria a primeira lei da Termodinâmica, que prevê esse tipo de situação para uma transformação isotérmica, mas contraria a segunda lei, pois é impossível haver máquinas térmicas com rendimento igual a 100%.
Resposta - Questão 2
LETRA “B” O gráfico dado na questão é de temperatura versus entropia e mostra um ciclo no sentido horário operado por uma máquina térmica. Sendo assim, podemos analisar cada uma das alternativas: A) ERRADO: No processo JK, ocorre aumento de entropia, o que indica que o sistema recebeu calor. B) CORRETO: Em um ciclo, o trabalho é dado pela área do gráfico. c) ERRADO: Nesse caso, teríamos η = 1 – T1/T2. d) ERRADO: Durante o processo LM, há diminuição de entropia, o que indica perda de calor. e) ERRADO: Outra máquina operando sob o mesmo ciclo realizaria o mesmo trabalho.
Resposta - Questão 3
LETRA “C” Sendo 7,0 °C a temperatura da fonte fria e aplicando o rendimento de Carnot para o rendimento de 30%, teremos: T2 = 7 °C = 7+273 = 280 K η = 1 – T2/T1. 0,3 = 1 – 280/T1 280/T1 = 1 – 0,3 280/T1 = 0,7 T1 = 280 ÷ 0,7 T1 = 400 K Para o rendimento de 50%, mantendo a mesma temperatura da fonte fria, teremos: η = 1 – T2/T1 0,5 = 1 – 280/T1 280/T1 = 1 – 0,5 280/T1 = 0,5 T1 = 280 ÷ 0,5 T1 = 560 K A variação da temperatura da fonte quente necessária para que o rendimento aumente de 30% para 50% é de 160 K. 560 – 400 = 160 K
Resposta - Questão 4
LETRA “E” De acordo com a primeira lei da Termodinâmica, temos: Q = τ + ΔUPortanto, a quantidade de calor fornecida a um gás é igual a soma do trabalho realizado pelo gás (τ > 0) e a variação da energia interna. Versão desktop Copyright © 2022 Rede Omnia - Todos os direitos reservados Proibida a reprodução total ou parcial sem prévia autorização (Inciso I do Artigo 29 Lei 9.610/98)
As máquinas frigoríficas são máquinas térmicas que transferem calor de uma fonte térmica, que se encontra à baixa temperatura, para outra de temperatura mais elevada.
Tem-se uma máquina térmica frigorífica que realiza, durante um ciclo completo, um trabalho de 4 . 104 J e cede, à fonte fria, 12 . 104 J. Com essas informações, calcule a eficiência da máquina térmica e marque a opção correta. a) 1 b) 3 c) 3,5 d) 2,4 e) 4
Certa máquina térmica realiza por ciclo um trabalho de 3000 J e cede à uma fonte fria 3200 calorias. Com esses dados, determine, aproximadamente, o rendimento percentual e a eficiência dessa máquina térmica. (Adote 1 cal = 4,2 J). a) 45 % e 18 b) 16 % e 3 c) 18 % e 5,4 d) 18 % e 4,5 e) 12 % e 3
Tem-se uma máquina térmica cujo rendimento é igual a 0,2. Supondo que essa mesma máquina absorva da fonte quente 104 J de calor, determine o trabalho realizado e o calor perdido para a fonte fria dessa máquina térmica. a) τ = 8000 J e Q1 = 2000 J
A eficiência de uma máquina térmica é dada pela seguinte equação: Onde Q2 é o calor retirado da fonte fria e τ é o trabalho externo. Sendo assim, temos: Alternativa B
O rendimento de uma máquina térmica é dado pela seguinte função: E a eficiência da máquina térmica é dada por: Com os dados do exercício podemos calcular o que se pede: Q2 = 3200 cal = (3200 x 4,2) = 13440 J Alternativa D
Primeiramente devemos retirar as informações dadas pelo exercício: η = 0,2 e Q1 = 104 J Agora podemos determinar o trabalho através da equação do rendimento da máquina térmica. Portanto, temos: Alternativa E
Q1 = 40000 J Máquinas térmicas são dispositivos que absorvem calor de uma fonte e convertem-no parcialmente em energia mecânica. Todas elas operam em ciclos e, ao final de um ciclo completo, os parâmetros de pressão, volume e temperatura (P,V,T) relacionados à substância de trabalho que é usada pela máquina sempre retomam seus valores iniciais (P0, V0, T0). A importância das máquinas térmicas é incontestável para nosso modelo de sociedade atual, em que fazemos uso de motores de combustão interna para um grande número de atividades e processos tecnológicos. Veja também: Grafeno – o material mais resistente já descoberto Introdução às máquinas térmicasMáquinas térmicas são capazes de converter parcialmente o calor proveniente de uma fonte térmica em energia mecânica – cinética ou potencial. Nenhuma máquina térmica é perfeita, ou seja, mesmo a melhor máquina térmica já inventada jamais poderia ter um rendimento igual a 100%. A razão pela qual não é possível existir uma máquina térmica perfeita é a 2ª lei da Termodinâmica, que diz o seguinte:
A forma como a segunda lei encontra-se escrita acima é conhecida como o enunciado de Kelvin. Segundo tal enunciado, em um ciclo completo, é impossível que uma máquina térmica converta integralmente calor em trabalho mecânico. Tal impossibilidade decorre do fato de que a máquina precisa “perder” parte da energia que absorve para retornar ao estado termodinâmico inicial de seu ciclo de funcionamento. Chamamos de trabalho a porção de energia que uma máquina térmica foi capaz de converter em energia mecânica. Tal quantidade de energia pode ser calculada diretamente pela diferença entre a quantidade de calor que a máquina absorve de uma fonte quente pela quantidade de calor que a máquina dissipa para o meio externo, que comumente é chamado de fonte fria. A fórmula que é usada para calcular o trabalho realizado por uma máquina térmica é a seguinte: τ – trabalho (J – joule ou cal – caloria) QQ e QF – calor quente e calor frio As máquinas térmicas estão presentes em nosso dia a dia e são fundamentais para o funcionamento de diversas tecnologias. Confira alguns exemplos:
Veja também: Computadores quânticos – limites, possibilidades e características Rendimento das máquinas térmicasO rendimento das máquinas térmicas é sempre inferior a 100%, como já dissemos. Tal rendimento diz respeito à porcentagem da energia absorvida pela máquina que é convertida em calor ao longo de um ciclo completo. O cálculo do rendimento, feito em porcentagem, pode ser realizado se conhecemos parâmetros como a quantidade de calor “quente” (que é absorvida pela máquina a partir da fonte quente) e a quantidade de calor “frio” (cedido pela máquina à fonte fria). A fórmula para calcular o rendimento das máquinas térmicas é a seguinte: A fórmula do rendimento também pode ser escrita em termos do trabalho realizado pela máquina. Nesse caso, o rendimento é calculado pela razão entre o trabalho e a quantidade de calor absorvida pela máquina. Para obter o rendimento da máquina em porcentagem, multiplica-se o resultado obtido nas fórmulas acima pelo fator 100. Ciclo termodinâmico das máquinas térmicasCiclo termodinâmico é a sequência de estados que a substância de trabalho da máquina térmica passa a fim de que a máquina opere corretamente, convertendo calor em trabalho. Esse ciclo é geralmente representado na forma de um gráfico de P x V (pressão em função do volume). Além disso, o sentido das setas indica se o ciclo é relacionado a uma máquina térmica ou a um refrigerador, caso sejam representadas, respectivamente, no sentido horário e anti-horário. A figura abaixo mostra o ciclo termodinâmico de uma máquina térmica genérica. Observe: Ciclo de CarnotO ciclo de Carnot é um ciclo termodinâmico ideal cujo funcionamento apresenta o maior rendimento possível, dadas duas temperaturas de funcionamento (da fonte quente e da fonte fria). Dessa maneira, é esperado que uma máquina térmica real, como o motor de um carro, apresente um ciclo de formato mais próximo possível ao ciclo de Carnot. Exercícios resolvidos sobre máquinas térmicasQuestão 1 — (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 Resolução: A energia obtida pelos motores de combustão interna vem da queima de combustíveis fósseis. Junto à combustão, há uma grande expansão do volume de gás no interior dos pistões, gerando movimento. Portanto, a alternativa correta é a letra A. Questão 2 — (AFA) Com relação às máquinas térmicas e a Segunda Lei da Termodinâmica, analise as proposições a seguir. I. Máquinas térmicas são dispositivos usados para converter energia mecânica em energia térmica com consequente realização de trabalho. II. O enunciado da Segunda Lei da Termodinâmica, proposto por Clausius, afirma que o calor não passa espontaneamente de um corpo frio para um corpo mais quente, a não ser forçado por um agente externo, como é o caso do refrigerador. III. É possível construir uma máquina térmica que, operando em transformações cíclicas, tenha como único efeito transformar completamente em trabalho a energia térmica de uma fonte quente. IV. Nenhuma máquina térmica operando entre duas temperaturas fixadas pode ter rendimento maior que a máquina ideal de Carnot, operando entre essas mesmas temperaturas. São corretas apenas: a) I e II b) II e III c) I, III e IV d) II e IV Resolução: Vamos analisar as alternativas: I – FALSA. Máquinas térmicas são dispositivos que transformam energia térmica em energia mecânica, realizando trabalho durante esse processo. II – VERDADEIRA. III – FALSA. De acordo com a segunda lei da Termodinâmica, nenhuma máquina térmica que opere em ciclos é capaz de retirar calor de uma fonte e transformá-lo integralmente em trabalho. IV – VERDADEIRA. Com base nas análises acima, a resposta correta é a letra D. |