As Leis da Termodinâmica

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As Leis da Termodinâmica

Parte I

1. (Pucrj 2013) Um sistema termodinâmico recebe certa quantidade de calor de uma fonte quente e sofre uma expansão isotérmica indo do estado 1 ao estado 2,

indicados na figura. Imediatamente após a expansão inicial, o sistema sofre uma segunda expansão térmica, adiabática, indo de um estado 2 para o estado 3 com coeficiente de Poisson γ =1,5.

a) Determine o volume ocupado pelo gás após a primeira expansão, indo do estado 1 ao estado 2.

b) Determine a pressão no gás quando o estado 3 é atingido.

2. (Unesp 2013) Determinada massa de gás ideal sofre a transformação cíclica ABCDA mostrada no gráfico. As transformações AB e CD são isobáricas, BC é isotérmica e DA é adiabática. Considere que, na transformação AB, 400kJ de calor tenham sidos fornecidos ao gás e que, na transformação CD, ele tenha perdido 440kJ de calor para o meio externo.

Calcule o trabalho realizado pelas forças de pressão do gás na expansão AB e a variação de energia interna sofrida pelo gás na transformação adiabática DA.

3. (Epcar (Afa) 2013) Uma máquina térmica funciona fazendo com que 5 mols de um gás ideal percorra o ciclo ABCDA representado na figura.

Sabendo-se que a temperatura em A é que os

calores específicos molares do gás, a volume constante e a

pressão constante, valem, respectivamente, e

e que R vale aproximadamente o

rendimento dessa máquina, em porcentagem, está mais próximo de

a) 12 b) 15 c) 18 d) 21

4. (Ita 2013) Diferentemente da dinâmica newtoniana, que não distingue passado e futuro, a direção temporal tem papel marcante no nosso dia. Assim, por exemplo, ao aquecer uma parte de um corpo macroscópico e o isolarmos termicamente, a temperatura deste se torna gradualmente uniforme, jamais se observando o contrário, o que indica a direcionalidade do tempo. Diz-se então que os processos macroscópicos são irreversíveis, evoluem do passado para o futuro e exibem o que o famoso cosmólogo Sir Arthur Eddington denominou de seta do tempo. A lei física que melhor traduz o tema do texto é

a) a segunda lei de Newton. b) a lei de conservação da energia. c) a segunda lei da termodinâmica. d) a lei zero da termodinâmica.

e) a lei de conservação da quantidade de movimento.

TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: DADOS:

2 8

sen 45 0,71; sen 60 0,87; cos 60 0,50

sen 36,9 0,60; cos 36,9 0,80 aceleração da gravidade 10 m / s c velocidade da luz 3 10 m / s ° = ° = ° = ° = ° = = = = ×

5. (Cefet MG 2013) Um motor de avião com

funcionamento a querosene apresenta o seguinte diagrama por ciclo.

227 C,° 2 3R

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A energia, que faz a máquina funcionar, provém da queima do combustível e possui um valor igual a 6,0 10× 4 J/kg. A quantidade de querosene consumida em cada ciclo, em kg, é a) 0,070. b) 0,20. c) 5,0. d) 7,5. e) 15.

6. (Uff 2012) O ciclo de Stirling é um ciclo termodinâmico reversível utilizado em algumas máquinas térmicas. Considere o ciclo de Stirling para 1 mol de um gás ideal monoatônico ilustrado no diagrama PV.

Os processos AB e CD são isotérmicos e os processos BC e DA são isocóricos.

a) Preencha a tabela para a pressão, volume e temperatura nos pontos A, B, C, D. Escreva as suas respostas em função de P , V , P , V_{A A C C} e de R (constante universal dos gases).

Justifique o preenchimento das colunas P e T.

P V T

A B C D

b) Complete a tabela com os valores do calor absorvido pelo gás

( )

(

)

e do trabalho realizado pelo gás

( )

Justifique o preenchimento das colunas para Q e U.∆ São dados: AB CD DA W =300 J; W = −150 J e U∆ =750 J. Q(J) ∆U(J) W(J) AB BC CD DA

7. (Enem 2012) Aumentar a eficiência na queima de combustível dos motores à combustão e reduzir suas emissões de poluentes são a meta de qualquer fabricante de motores. É também o foco de uma pesquisa brasileira que envolve experimentos com plasma, o quarto estado da matéria e que está presente no processo de ignição. A interação da faísca emitida pela vela de ignição com as moléculas de combustível gera o plasma que provoca a explosão liberadora de energia que, por sua vez, faz o motor funcionar.

Disponível em: www.inovacaotecnologica.com.br. Acesso em: 22 jul. 2010 (adaptado). No entanto, a busca da eficiência referenciada no texto apresenta como fator limitante

a) o tipo de combustível, fóssil, que utilizam. Sendo um insumo não renovável, em algum momento estará esgotado.

b) um dos princípios da termodinâmica, segundo o qual o rendimento de uma máquina térmica nunca atinge o ideal.

c) o funcionamento cíclico de todo os motores. A repetição contínua dos movimentos exige que parte da energia seja transferida ao próximo ciclo.

d) as forças de atrito inevitável entre as peças. Tais forças provocam desgastes contínuos que com o tempo levam qualquer material à fadiga e ruptura.

e) a temperatura em que eles trabalham. Para atingir o plasma, é necessária uma temperatura maior que a de fusão do aço com que se fazem os motores.

8. (Ufu 2011) Certa quantidade de gás ideal ocupa inicialmente um volume V0, à pressão p0 e temperatura T0.

Esse gás se expande à temperatura constante e realiza trabalho sobre o sistema, o qual é representado nos gráficos pela área sob a curva.

Assinale a alternativa que melhor representa a quantidade de calor trocada com o meio.

a)

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c)

d)

9. (Unifesp 2011) Em um trocador de calor fechado por paredes diatérmicas, inicialmente o gás monoatômico ideal é resfriado por um processo isocórico e depois tem seu volume expandido por um processo isobárico, como mostra o diagrama pressão versus volume.

a) Indique a variação da pressão e do volume no processo isocórico e no processo isobárico e determine a relação entre a temperatura inicial, no estado termodinâmico a, e final, no estado termodinâmico c, do gás monoatômico ideal.

b) Calcule a quantidade total de calor trocada em todo o processo termodinâmico abc.

10. (Epcar (Afa) 2011) O diagrama abaixo representa um ciclo realizado por um sistema termodinâmico constituído por n mols de um gás ideal.

Sabendo-se que em cada segundo o sistema realiza 40 ciclos iguais a este, é correto afirmar que a(o)

a) potência desse sistema é de 1600 W. b) trabalho realizado em cada ciclo é - 40 J.

c) quantidade de calor trocada pelo gás com o ambiente em cada ciclo é nula.

d) temperatura do gás é menor no ponto C.

11. (Ita 2011) A inversão temporal de qual dos processos abaixo NÃO violaria a segunda lei de termodinâmica? a) A queda de um objeto de uma altura H e subsequente

parada no chão.

b) O movimento de um satélite ao redor da Terra. c) A freada brusca de um carro em alta velocidade. d) O esfriamento de um objeto quente num banho de água

fria.

e) A troca de matéria entre as duas estrelas de um sistema binário.

12. (Ufmg 1994) O gráfico da pressão p em função do volume V de um gás ideal representa uma transformação cíclica ocorrida em três fases. Inicia-se o ciclo por uma transformação isobárica, seguida de uma transformação isovolumétrica e finalmente, de uma transformação isotérmica.

Com base nesses dados pode-se afirmar que

a) o trabalho realizado na transformação isotérmica é calculado pela expressão p3(V1 - V3).

b) o trabalho realizado pelo gás é nulo durante a transformação isotérmica.

c) o trabalho realizado pelo gás na transformação isotérmica é igual ao calor que esse gás absorve. d) o trabalho realizado sobre o gás durante a transformação

isovolumétrica é o mesmo que na transformação isobárica.

e) o trabalho realizado sobre o gás, na transformação isovolumétrica, é maior do que o trabalho realizado pelo gás na transformação isotérmica.

13. (Unesp 1993) Uma esfera metálica homogênea, inicialmente à temperatura T1, encontra-se em repouso

sobre uma superfície horizontal rígida (Figura 1). Ao receber certa quantidade de calor Q, a temperatura da esfera se eleva até T2 e, devido ao fenômeno da dilatação,

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Utilizando a equação da Primeira Lei da Termodinâmica, indique:

a) o trabalho realizado;

b) a variação da energia interna, ocorrida em consequência da transferência da quantidade de calor Q à esfera.

(considere o sistema no vácuo e descarte as hipóteses de perda de calor para a superfície e para o ambiente). 14. (Unesp 1992) Certa quantidade de gás está contida num cilindro que tem um pistão de 1 kg. Transfere gás uma quantidade de calor Q1 = 7 joules e o pistão sobe

de uma altura h. A seguir, o pistão é travado e o gás é resfriado até a mesma temperatura inicial T0

uma quantidade de calor Q2 = 5 joules.

Qual o valor de h? (Despreze o atrito do pistão com as paredes do cilindro e as perdas de calor e considere a aceleração da gravidade local igual a 10 m/s2

15. (Fuvest-gv 1992) Uma pessoa fecha com a palma de sua mão a extremidade de uma seringa e com a outra mão puxa o êmbolo até as proximidades da outra extremidade, mantendo a temperatura constante. O gráfico p

os apresentados nas alternativas a seguir, que melhor representa este processo é:

Utilizando a equação da Primeira Lei da Termodinâmica,

b) a variação da energia interna, ocorrida em consequência da transferência da quantidade de calor Q à esfera.

as hipóteses de perda de calor para a superfície e para o ambiente).

Certa quantidade de gás está contida num cilindro que tem um pistão de 1 kg. Transfere-se ao

= 7 joules e o pistão sobe h. A seguir, o pistão é travado e o gás é

0, retirando

Qual o valor de h? (Despreze o atrito do pistão com as paredes do cilindro e as perdas de calor e considere a

2_).

Uma pessoa fecha com a palma de sua mão a extremidade de uma seringa e com a outra mão puxa o êmbolo até as proximidades da outra extremidade, mantendo a temperatura constante. O gráfico p × V, dentre os apresentados nas alternativas a seguir, que melhor

16. (Unesp 1991) A primeira lei da termodinâmica diz respeito à:

a) dilatação térmica b) conservação da massa

c) conservação da quantidade de movi d) conservação da energia

e) irreversibilidade do tempo

17. (Unicamp 1991) Um mol de gás ideal sofre a

transformação A

→

→

volume da figura a seguir.

a) Qual é a temperatura do gás no estado A?

b) Qual é o trabalho realizado pelo gás na expansão A B?

c) Qual é a temperatura do gás no estado C? Dado: R (constante dos gases) = 0,082 atm. J/mol K

18. (Fuvest 1991) Uma certa massa de gás ideal, inicialmente à pressão p0, volume V

submetida à seguinte sequência de transformações: 1) É aquecida a pressão constante até que a temperatura atinja o valor 2T0.

2) É resfriada a volume constante até que a temp atinja o valor inicial T0.

3) É comprimida a temperatura constante até que atinja a pressão inicial p0.

a) Calcule os valores da pressão, temperatura e volume no final de cada transformação.

b) Represente as transformações num diagrama pressão x volume.

19. (Unesp 1989) Um sistema termodinâmico é levado do estado inicial A a outro estado B e depois trazido de volta até A através do estado C, conforme o diagrama p figura a seguir.

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A primeira lei da termodinâmica diz

conservação da quantidade de movimento irreversibilidade do tempo

Um mol de gás ideal sofre a

C indicada no diagrama pressão × a temperatura do gás no estado A?

b) Qual é o trabalho realizado pelo gás na expansão A

→

c) Qual é a temperatura do gás no estado C?

Dado: R (constante dos gases) = 0,082 atm.ℓ/mol K = 8,3

rta massa de gás ideal, , volume V0 e temperatura T0, é

submetida à seguinte sequência de transformações: 1) É aquecida a pressão constante até que a temperatura 2) É resfriada a volume constante até que a temperatura 3) É comprimida a temperatura constante até que atinja a

a) Calcule os valores da pressão, temperatura e volume no final de cada transformação.

b) Represente as transformações num diagrama pressão x

Um sistema termodinâmico é levado do estado inicial A a outro estado B e depois trazido de volta até A através do estado C, conforme o diagrama p - V da

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a) Complete a tabela atribuindo sinais (+) ou (-) às grandezas termodinâmicas associadas a cada processo. W positivo significa trabalho realizado pelo sistema, Q positivo é calor fornecido ao sistema e ∆U positivo é aumento da energia interna.

b) Calcule o trabalho realizado pelo sistema durante o ciclo completo ABCA.

20. (Unesp 1989) Um sistema termodinâmico, constituído por um gás ideal que pode expandir-se, contrair-se, produzir ou receber trabalho, receber ou fornecer calor, descreve um ciclo que pode ser representado por ABCDA ou ABEFA.

a) Considere a evolução da energia interna do sistema em cada trecho dos ciclos. Indique com um X, no quadro, o resultado esperado.

b) Qual foi a lei ou princípio físico que você usou na questão anterior?

c) No ciclo ABCDA, calcule o rendimento do ciclo em termos do calor Q1 recebido e Q2 fornecido pelo sistema.

Parte II

TEXTO PARA AS PRÓXIMAS 2 QUESTÕES: Dados:

Aceleração da gravidade: g=10 m/s2

Densidade da água: ρ =_a 1,0 g/cm3 =1000 kg/m3

Velocidade da luz no vácuo: c=3,0 10 m/s⋅ 8 Pressão atmosférica: P_atm =1,0 10 N/m⋅ 5 2

3 3 3 15 1 litro 1 dm 10 m 1 ano - luz 9,461 10 m − = = = ⋅

Calor específico da água: c_a =1 cal/gºC=4000 J/KgºC

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1 eV =1,6 10⋅ J 1 cal=4,2 J

1. (Ufjf 2011) A figura abaixo mostra o diagrama P x V para o ciclo de um sistema termodinâmico contendo um gás ideal monoatômico.

a) Calcule o trabalho total, em joules, realizado pelo gás no ciclo completo.

b) Calcule a variação da energia interna, em joules, no percurso AB.

c) Qual é a quantidade de calor, em joules, trocada pelo sistema no percurso AB?

2. (Ufjf 2011) Uma lata de spray, com volume inicial

0

V =400 ml, contém um gás que podemos considerar como ideal, monoatômico com γ =C / C_{p v} =3 / 2. A temperatura e pressão iniciais do gás são, respectivamente,

0

T =26º Ce P₀ =1,0 atm.

Considerando que o volume final da lata tenha sido reduzido (lata amassada) para 25% de seu valor inicial, em um processo adiabático, determine a temperatura e a pressão final do gás. a) 52,0 ºC e 8,0 atm. b) 68,0 ºC e 7,0 atm. c) 58,0 ºC e 6,0 atm. d) 46,0 ºC e 9,0 atm. e) 42,0 ºC e 10,0 atm.

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3. (Ufjf 2003) Um mol de gás ideal sofre uma expansão isotérmica, representada no diagrama P-V da figura, do estado inicial 1 ao estado final 2. Escolha a alternativa correta. Durante este processo:

a) o gás aumenta de volume e se resfria.

b) a temperatura do gás se mantém constante, mas é preciso fornecer calor ao gás.

c) no processo isotérmico não há fluxo de calor.

d) a temperatura do gás diminui e o gás realiza trabalho. e) o volume do gás aumenta, a pressão diminui e a