µ 21 > UTILIZAR LEIS DA TERMODINÂMICA PARA INTERPRETAR FENÔMENOS TÉRMICOS

Texto

(1)µ 21. TERMODINÂMICA PARA INTERPRETAR FENÔMENOS TÉRMICOS. > UTILIZAR LEIS. DA. ..

(2) Aula complementar 02 QUADRO DE ANOTAÇÕES 21) (ENEM) Até 1824 acreditava-se que as máquinas térmicas, cujos exemplos são as máquinas a vapor e os atuais motores a combustão, poderiam ter um funcionamento ideal. Sadi Carnot demonstrou a impossibilidade de uma máquina térmica, funcionando em ciclos entre duas fontes térmicas (uma quente e outra fria), obter 100% de rendimento. Tal limitação ocorre porque essas máquinas a) realizam trabalho mecânico. b) produzem aumento da entropia. c) utilizam transformações adiabáticas. d) contrariam a lei da conservação de energia. e) funcionam com temperatura igual à da fonte quente.. Leizero@Eq.t. transformações. érmico → cessaram as térmicas. .. B < Eqtér £. A. .. Eqtér. .. E térmico g-. 1-a-ermodinamic.am. :. lei da conservação da energia A. Q. =. E. +. DU. À 2.

(3) Q-o.FI?i?mta-o--p.av RECEBE CALOR. }. •. •. •. V. .FI?fI1av-o--p.av RESFRIA. Ç. AQUECE. PERDE. EXPANDE. CALOR. REALIZA TRABALHO. }. •. •. ☐. ④ 0A. ④. Q. [. NATURAL. Q. > V. OB. FORÇADO ENUNÜADOL :. SOFRE TRABALHO. OMEIOEXTERNO REALIZA TRABALHO SOBREO Gás. Elei da Termodinâmica : >. •. CONTRAI. .. }. ENUNCIADO. 1. O calor só pode ser transferido da fonte fria para a fonte quente se Ocorrer um trabalho externo, ou seja, se isso for forçado.. É impossível uma máquina que opera em ciclos, render 100%. Máquina Térmica FONTE. Quente v01. Motor. 6. v02 FONTE Fria.

(4) Máquina. Frigorífica. FONTE. QUENTE ^. °. /. Motor. <. FONTE Fria ENUNCIADO 3 : CALOR. →. TRABALHO. A entropia do universo aumenta. DESORGANIZADA. →. ORGANIZADA. TOMARÃO.

(5) 22) (ENEM) Para a instalação de um aparelho de ar-condicionado, é sugerido que ele seja colocado na parte superior da parede do cômodo, pois a maioria dos fluidos (líquidos e gases), quando aquecidos, sofrem expansão, tendo sua densidade diminuída e sofrendo um deslocamento ascendente. Por sua vez, quando são resfriados, tornam-se mais densos e sofrem um deslocamento descendente. A sugestão apresentada no texto minimiza o consumo de energia, porque a) diminui a umidade do ar dentro do cômodo. b) aumenta a taxa de condução térmica para fora do cômodo. c) torna mais fácil o escoamento da água para fora do cômodo. d) facilita a circulação das correntes de ar frio e quente dentro do cômodo. e) diminui a taxa de emissão de calor por parte do aparelho para dentro do cômodo.. AR Frio. " →. densidade. AR QUENTE → ✓ densidade. 3.

(6) 23) (ENEM) O motor de combustão interna, utilizado no transporte de pessoas e cargas, é uma máquina térmica cujo ciclo consiste em quatro etapas: admissão, compressão, explosão/expansão e escape. Essas etapas estão representadas no diagrama da pressão em função do volume. Nos motores a gasolina, a mistura ar/combustível entra em combustão por uma centelha elétrica.. Para o motor descrito, em qual ponto do ciclo é produzida a centelha elétrica? a) A. b) B. c) C. d) D. e) E.. 4.

(7) 24) (ENEM) O ar atmosférico pode ser utilizado para armazenar o excedente de energia gerada no sistema elétrico, diminuindo seu desperdício, por meio do seguinte processo: água e gás carbônico são inicialmente removidos do ar atmosférico e a massa de ar restante é resfriada até – 198 ºC Presente na proporção de 78% dessa massa de ar, o nitrogênio gasoso é liquefeito, ocupando um volume 700 vezes menor. A energia excedente do sistema elétrico é utilizada nesse processo, sendo parcialmente recuperada quando o nitrogênio líquido, exposto à temperatura ambiente, entra em ebulição e se expande, fazendo girar turbinas que convertem energia mecânica em energia elétrica. MACHADO, R. Disponível em www.correiobraziliense.com.br Acesso em: 9 set. 2013 (adaptado). No processo descrito, o excedente de energia elétrica é armazenado pela a) expansão do nitrogênio durante a ebulição. b) absorção de calor pelo nitrogênio durante a ebulição. c) realização de trabalho sobre o nitrogênio durante a liquefação. d) retirada de água e gás carbônico da atmosfera antes do resfriamento. e) liberação de calor do nitrogênio para a vizinhança durante a liquefação.. 5.

(8) 25) (ENEM) 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.. 6.

(9) 26) (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) b) c) d) e). na combustão, que gera gases quentes para mover os pistões no motor. nos eixos, que transferem torque às rodas e impulsionam o veículo. na ignição, quando a energia elétrica é convertida em trabalho. na exaustão, quando gases quentes são expelidos para trás. na carburação, com a difusão do combustível no ar.. 7.

(10) 27) Um inventor diz ter desenvolvido uma máquina térmica que, operando entre duas fontes térmicas, quente e fria, com temperaturas de 500K e 250K, respectivamente, consegue, em cada ciclo, realizar uma quantidade de trabalho equivalente a 75% do calor absorvido da fonte quente, rejeitando 25% da energia gerada por essa fonte. De acordo com as leis da termodinâmica, é possível que o inventor tenha realmente desenvolvido tal máquina? a) Não é possível, uma vez que essa máquina teria um rendimento maior que o rendimento de uma máquina de Carnot, operando entre as mesmas fontes. b) Não é possível, uma vez que o rendimento da máquina é 100%. c) É possível, uma vez que não violaria a Primeira Lei da Termodinâmica. d) Não é possível, uma vez que violaria a Primeira Lei da Termodinâmica. e) É possível, uma vez que essa máquina teria um rendimento de uma máquina de Carnot, operando entre as mesmas fontes.. RENDIMENTO. →. f-. TENOR MAIOR. 1. 4=1. 250 _. =. 50%. SO O. 8.

(11) 28) O reator utilizado na Usina Nuclear de Angra dos Reis – Angra II – é do tipo PWR (PressurizedWaterReactor). O sistema PWR é constituído de três circuitos: o primário, o secundário e o de água de refrigeração. No primeiro, a água é forçada a passar pelo núcleo do reator a pressões elevadas, 135 atm, e à temperatura de 320oC. Devido à alta pressão, a água não entra em ebulição e, ao sair do núcleo do reator, passa por um segundo estágio, constituído por um sistema de troca de calor, onde se produz vapor de água que vai acionar a turbina que transfere movimento ao gerador de eletricidade. Na figura estão indicados os vários circuitos do sistema PWR.. Considerando as trocas de calor que ocorrem em uma usina nuclear como Angra II, inferese que a) O calor removido do núcleo do reator é utilizado integralmente para produzir trabalho na turbina. b) O calor do sistema de refrigeração é transferido ao núcleo do reator através do trabalho realizado pela turbina. c) Todo o calor fornecido pelo núcleo do reator é transformado em trabalho na turbina e, por isso, o reator nuclear tem eficiência total. d) O calor do sistema de refrigeração é transferido na forma de calor ao núcleo do reator e na forma de trabalho à turbina. e) Uma parte do calor fornecido pelo núcleo do reator realiza trabalho na turbina, e outra parte é cedida ao sistema de refrigeração.. 9.

(12) 29) (UEM PR) Uma máquina térmica opera entre um reservatório térmico mantido à temperatura de 100 ºC e outro mantido à temperatura ambiente. Em que época do ano essa máquina atingiria sua maior eficiência? a) b) c) d) e). Em dia típico de outono. Em dia típico de verão. Em dia típico de primavera. Em dia típico de inverno. É indiferente, a eficiência não depende da temperatura do outro reservatório.. 10.

(13) 30) A palavra ciclo tem vários significados na linguagem cotidiana. Existem ciclos na economia, na literatura, na história e, em geral, com significados amplos, pois se referem a tendências, épocas, etc. Em termodinâmica, a palavra ciclo tem um significado preciso: é uma série de transformações sucessivas que recolocam o sistema de volta ao seu estado inicial com realização de trabalho positivo ou negativo e a troca de calor com a vizinhança. Assim, por exemplo, os motores automotivos foram bem compreendidos a partir das descrições de seus ciclos termodinâmicos. Considere o quadro a seguir onde são apresentadas três máquinas térmicas operando em ciclos entre fontes de calor nas temperaturas 300K e 500K. Q e W são, respectivamente, o calor trocado e o trabalho realizado em cada ciclo.. De acordo com a termodinâmica, é possível construir a(as) máquina(s) a) A, B e C. b) B e C. c) A e C. d) A. e) C.. 11.

(14) 31) (ENEM) 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. CARVALHO, A. X. Z. Física Térmica. Belo Horizonte: Pax, 2009 (adaptado). 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.. 12.

(15) 32) (ENEM) A invenção da geladeira proporcionou uma revolução no aproveitamento dos alimentos, ao permitir que fossem armazenados e transportados por longos períodos. A figura apresentada ilustra o processo cíclico de funcionamento de uma geladeira, em que um gás no interior de uma tubulação é forçado a circular entre o congelador e a parte externa da geladeira. É por meio dos processos de compressão, que ocorre na parte externa, e de expansão, que ocorre na parte interna, que o gás proporciona a troca de calor entre o interior e o exterior da geladeira. Disponível em: http://home.howstuffworks.com. Acesso em: 19 out. 2008 (adaptado).. Nos processos de transformação de energia envolvidos no funcionamento da geladeira, a) a expansão do gás é um processo que cede a energia necessária ao resfriamento da parte interna da geladeira. b) o calor flui de forma não espontânea da parte mais fria, no interior, para a mais quente, no exterior da geladeira. c) a quantidade de calor cedida ao meio externo é igual ao calor retirado da geladeira. d) a eficiência é tanto maior quanto menos isolado termicamente do ambiente externo for o seu compartimento interno. e) a energia retirada do interior pode ser devolvida à geladeira abrindo-se a sua porta, o que reduz seu consumo de energia.. 13.

(16) 33) Em uma feira de Ciências, um estudante monta um aparato experimental para demonstrar o princípio básico de funcionamento de máquinas térmicas. Ele insere um mol de um gás considerado ideal, não inflamável, em um recipiente que possui um êmbolo móvel que pode deslizar sem atrito, conforme mostra a figura a seguir.. No recipiente há uma trava para que o êmbolo não se mova. O estudante aciona essa trava e aquece o gás, que está com um volume inicial de 1 L a uma pressão de 1 · 10 5 Pa. Esse processo ocorre mantendo-se o volume do gás constante até que ele atinja uma pressão de 1,5 · 105 Pa. Em seguida, o estudante coloca um peso sobre o êmbolo e libera sua trava de tal forma que, mesmo sem a trava, o êmbolo não se move. O estudante continua aquecendo o recipiente e o gás começa a se expandir mantendo sua pressão constante até chegar ao volume de 2 L. O estudante trava novamente o êmbolo para manter o volume do gás em seu interior constante, retira o peso do êmbolo e resfria o aparato em um balde com gelo até que a pressão do gás seja igual à pressão do início do experimento. Quando isso acontece, ele coloca um novo peso sobre o recipiente e o destrava de tal forma que a pressão do gás continue sendo 1 · 105 Pa. Depois, resfria-o mais um pouco mantendo a pressão constante até que o aparato atinja o mesmo volume inicial, finalizando um ciclo. Supondo que todo o trabalho útil gerado por esse aparato nesses ciclos possa ser utilizado para elevar 3 m um caixote de 10 kg em um local onde g = 10 m/s 2, qual deve ser a quantidade mínima de ciclos que o aparato deve realizar para isso ocorrer? a) 6 ciclos. b) 34 ciclos. c) 195 ciclos. d) 670 ciclos. e) 2 345 ciclos.. 14.

(17) 34) (ENEM) Dois amigos se encontram em um posto de gasolina para calibrar os pneus de suas bicicletas. Uma das bicicletas é de corrida (bicicleta A) e a outra, de passeio (bicicleta B). Os pneus de ambas as bicicletas têm as mesmas características, exceto que a largura dos pneus de A é menor que a largura dos pneus de B. Ao calibrarem os pneus das bicicletas A e B, respectivamente com pressões de calibração p A e pB, os amigos observam que o pneu da bicicleta A deforma, sob mesmos esforços, muito menos que o pneu da bicicleta B. Pode-se considerar que as massas de ar comprimido no pneu da bicicleta A, mA, e no pneu da bicicleta B, mB, são diretamente proporcionais aos seus volumes. Comparando as pressões e massas de ar comprimido nos pneus das bicicletas, temos: a) pA<pB e mA<mB b) pA>pB e mA<mB c) pA>pB e mA = mB d) pA<pB e mA = mB e) pA>pB e mA>mB. 15.

(18) 35) Uma usina termoelétrica pode ser definida como um conjunto de obras e equipamentos cuja a finalidade é geração de energia elétrica, através de um processo que consiste em três etapas. Nas usinas térmicas convencionais, a primeira etapa consiste na queima de um combustível fóssil, como carvão, óleo ou gás, transformando a água em vapor com o calor gerado na caldeira. A segunda consiste na utilização deste vapor, em altas pressões, para girar a turbina, que por sua vez, aciona o gerador elétrico. Na terceira etapa, o vapor é condensado, transferindo o resíduo de sua energia térmica para um circuito independente de refrigeração, retornando à água à caldeira, completando o ciclo. [...] Usina termelétrica convencional. Furnas. Disponíveis em: www.furnas.com.br/hotsites/sistemasfurnas/usina_term_funciona.asp. Acesso em 14 abr. 2016. De acordo com o trecho acima, pode-se concluir que, no processo de geração de energia elétrica por uma usina térmica. a) a quantidade de calor fornecida a cada ciclo pela queima do combustível deve ser igual à energia elétrica produzida nesse ciclo. b) a transformação da água em vapor, na primeira etapa do ciclo, ocorre de forma não espontânea. c) quanto maior o trabalho realizado pelo vapor na segunda etapa, maior a eficiência da usina para uma mesma quantidade de calor gerado na caldeira. d) o resíduo da energia térmica, transferido na terceira etapa, é produzido por meio de trabalho realizado pelo vapor. e) a quantidade de calor absorvido pela água na primeira etapa do processo tem módulo igual à quantidade de calor rejeitada pelo vapor na terceira.. 16.

(19) 36) Os sistemas de refrigeração provocam o resfriamento de interiores, como ar-condicionados, refrigeradores e freezers. Os objetivos principais da refrigeração são armazenamento de alimentos a baixas temperaturas para evitar a ação de bactérias e o surgimento de bolor ou fermentação e manter uma temperatura estável em ambientes ou equipamentos eletrônicos. O resfriamento ocorre através do processo de troca de calor. O refrigerador é uma máquina térmica em que a troca do calor se dá do sistema mais frio (interior da geladeira) para o sistema mais quente (meio externo). GONÇALVES, L. J. Refrigeradores. CREF (Centro de referência no ensino de física) Disponível em: www.if.ufrgs.br/cref/leila/refri.htm. Acesso em: 14 abr. 2016. Apesar do processo descrito no texto aparentemente violar o princípio da termodinâmica que afirma que a transferência de calor tende a ser sempre de um corpo de maior temperatura para outro de menor temperatura, sabe-se que o resfriamento no interior de uma geladeira não transgride esse princípio pelo fato de: a) não serem consideradas as perdas de energia por atrito do fluido nos canos em um ciclo. b) o fluido apresentar um comportamento anômalo, diminuindo sua temperatura com a absorção de calor. c) a transferência de calor da parte interna para a externa não ser espontânea, sendo necessária a realização de um trabalho externo. d) o fluido possui alto calor específico, praticamente não variando sua temperatura em um ciclo. e) a grade externa possuir grande área e alta condutividade térmica, dissipando rapidamento o calor.. 17.

(20) 37) Um pesquisador está estudando o comportamento de alguns gases para serem usados como fluídos em máquinas hidráulicas. Para isso ele utiliza cinco fluídos diferentes (pode-se assumir que esses fluidos tem comportamento de gases ideais) e testa-os da seguinte maneira: Coloca a mesma quantidade de mols de cada fluído em um compartimento com êmbolo que pode se movimentar sem atrito, e o fluído é colocado um por vez no compartimento.. O êmbolo e o peso utilizado nos experimentos são sempre os mesmos e a temperatura inicial de cada fluído também é a mesma. O pesquisador fornece a mesma quantidade de calor para cada experimento. O resultado para a variação de volume é mostrado a seguir. O pesquisador quer utilizar o fluido que menos varia sua temperatura com o fornecimento de calor. Para esse caso ele deve utilizar o fluido: a) A b) B c) C d) D e) E. 18.

(21) 38) Um jovem inventor decide fazer um teste para verificar se, com uma geladeira, seria possível resfriar certo ambiente. Colocando a geladeira em um pequeno cômodo, ele fecha a porta e as janelas, para que o local fique termicamente isolado. Na sequência, posiciona um termômetro em um ponto do cômodo e mantém a porta da geladeira aberta e em funcionamento. Passados 30 minutos, para sua surpresa ele verifica que a temperatura local aumentou. Após refletir sobre o resultado de seu teste, o jovem inventor conclui que o aumento de temperatura no cômodo é decorrente de a) a geladeira apresentar um mau funcionamento em ambientes fechados, dificultando a troca de calor com sua parte interna. b) a potência de resfriamento do motor da geladeira não ser grande o suficiente para conseguir refrigerar o cômodo. c) o calor retirado do interior da geladeira ser transferido para o ambiente, além de haver calor gerado pelo funcionamento do motor. d) o ar que inicialmente estava no interior da geladeira poder variar seu volume por não estar mais confinado. e) o tempo para ocorrer o equilíbrio térmico nesse ambiente em uma temperatura mais baixa ser maior do que o esperado.. 19.

(22) 39) Abaixo se encontram algumas instruções de um manual de instalação de um ar condicionado: 1- O ar condicionado deve ser instalado em um ponto alto do ambiente, próximo a uma tomada de mesma voltagem do aparelho. 2- Deve ser feita por pessoa especializada um buraco na parede do ambiente para caber o aparelho sem frestas. 3- A parte interna (saída do ar frio) deve ser colocada dentro do ambiente (figura 1) e a parte de exaustão deve estar na parte de fora do ambiente (figura 2).. Uma pessoa querendo economizar na instalação de um ar-condicionado, optou por não fazer o buraco na parede, não colocando a parte externa do aparelho para fora e deixando-o no chão. Ao ligar o ar-condicionado nesse cômodo, a função do aparelho de resfriar o ambiente: a) Será atendida, porém demorara mais pois o aparelho está no chão b) Será atendida, porém demorara mais devido ao fato da parte externa expelir ar quente. c) Não será atendida, pois ao colocar o parelho no chão não haverá troca de calor por corrente de convecção. d) Não será atendida, pois o funcionamento do aparelho necessita que o ar externo flua para seu interior. e) Não será atendida, pois o aparelho esquentará o ambiente como um todo ao invés de resfria-lo.. 20.

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