EXERCÍCIOS DE FÍSICA - Professor Fabio Teixeira TERMODINÂMICA
1. (Ufms 2005) Sem variar sua massa, um gás ideal sofre uma transformação a volume constante. É correto afirmar que
a) a transformação é isotérmica.
b) a transformação é isobárica.
c) o gás não realiza trabalho.
d) sua pressão diminuirá ,se a temperatura do gás aumentar.
e) a variação de temperatura do gás será a mesma em qualquer escala termométrica.
2. (Puccamp 2005) O biodiesel resulta da reação química desencadeada por uma mistura de óleo vegetal com álcool de cana. A utilização do biodiesel etílico como combustível no país permitiria uma redução sensível nas emissões de gases poluentes no ar, bem como uma ampliação da matriz energética brasileira.
O combustível testado foi desenvolvido a partir da transformação química do óleo de soja. É também chamado de B-30 porque é constituído de uma proporção de 30% de biodiesel e 70% de diesel metropolitano. O primeiro diagnóstico divulgado considerou performances dos veículos quanto ao desempenho, durabilidade e consumo.
Um carro-teste consome 4,0 kg de biodiesel para realizar trabalho mecânico. Se a queima de 1 g de biodiesel libera 5,0 × 10¤ cal e o rendimento do motor é de 15%, o trabalho mecânico realizado, em joules, vale, aproximadamente,
Dado: 1 cal = 4,2 joules
a) 7,2 × 10¦ b) 1,0 × 10§ c) 3,0 × 10§
d) 9,0 × 10§ e) 1,3 × 10¨
3. (Fuvest 2003) Um recipiente cilíndrico contém 1,5L (litro) de água à temperatura de 40°C. Uma tampa, colocada sobre a superfície da água, veda o líquido e pode se deslocar verticalmente sem atrito.
Um aquecedor elétrico E, de 1800W, fornece calor à água. O sistema está isolado termicamente de forma que o calor fornecido à água não se transfere ao recipiente. Devido ao peso da tampa e à pressão atmosférica externa, a pressão sobre a superfície da água permanece com o valor P³=1,00×10¦Pa.
Ligando-se o aquecedor, a água esquenta até atingir, depois de um intervalo de tempo tÛ, a temperatura de ebulição (100°C). A seguir a água
passa a evaporar, preenchendo a região entre a superfície da água e a tampa, até que, depois de mais um intervalo de tempo t½, o aquecedor é desligado. Neste processo, 0,27mol de água passou ao estado de vapor.
NOTE/ADOTE 1Pa = 1 pascal = 1N/m£
Massa de 1mol de água: 18 gramas Massa específica da água: 1,0kg/L Calor específico da água: 4.000J/(°C . kg)
Na temperatura de 100°C e à pressão de 1,00×10¦Pa, 1 mol de vapor de água ocupa 30L e o calor de vaporização da água vale 40.000J/mol.
Determine
a) o intervalo de tempo tÛ, em segundos, necessário para levar a água até a ebulição.
b) o intervalo de tempo t½, em segundos, necessário para evaporar 0,27mol de água.
c) o trabalho •, em joules, realizado pelo vapor de água durante o processo de ebulição.
4. (Unifesp 2002) Costuma-se especificar os motores dos automóveis com valores numéricos, 1.0, 1.6, 1.8 e 2.0, entre outros. Esses números indicam também valores crescentes da potência do motor. Pode-se explicar essa relação direta entre a potência do motor e esses valores numéricos porque eles indicam o volume aproximado, em litros,
a) de cada cilindro do motor e, quanto maior esse volume, maior a potência que o combustível pode fornecer.
b) do consumo de combustível e, quanto maior esse volume, maior a quantidade de calor que o combustível pode fornecer.
c) de cada cilindro do motor e, quanto maior esse volume, maior a temperatura que o combustível pode atingir.
d) do consumo de combustível e, quanto maior esse volume, maior a temperatura que o combustível
pode fornecer.
e) de cada cilindro do motor e, quanto maior esse volume, maior o rendimento do motor.
5. (Ufscar 2001) A figura representa um gás ideal contido num cilindro C fechado por um êmbolo E de área S=1,0.10-¥ m£ e massa m=1,0kg. O gás absorve uma determinada quantidade de calor Q e, em conseqüência, o êmbolo sobe 5,0.10-£ m, livremente e sem vazamento. A pressão atmosférica local é 1,0.10¦Pa.
a) Calcule os trabalhos realizados pelo gás contra a pressão atmosférica, •a, e contra a gravidade, para erguer o êmbolo, •g.
(Adote g = 10 m/s£.)
b) Qual a quantidade mínima de calor que o gás deve ter absorvido nessa transformação? Que lei física fundamenta sua resposta? Justifique.
6. (Unesp 2001) Uma bexiga vazia tem volume desprezível; cheia, o seu volume pode atingir 4,0×10-¤m¤. O trabalho realizado pelo ar para encher essa bexiga, à temperatura ambiente, realizado contra a pressão atmosférica, num lugar onde o seu valor é constante e vale 1,0×10¦Pa, é no mínimo de a) 4 J. b) 40 J. c) 400 J.
d) 4000 J. e) 40000 J.
7. (Ufrn 2005) Cotidianamente são usados recipientes de barro (potes, quartinhas, filtros etc.) para esfriar um pouco a água neles contida.
Considere um sistema constituído por uma quartinha cheia d'água. Parte da água que chega à superfície externa da quartinha, através de seus poros, evapora, retirando calor do barro e da água que o permeia. Isso implica que também a temperatura da água que está em seu interior diminui nesse processo.
Tal processo se explica porque, na água que evapora, são as moléculas de água
a) com menor energia cinética média que escapam do líquido, aumentando, assim, a energia cinética média desse sistema.
b) que, ao escaparem do líquido, aumentam a pressão atmosférica, diminuindo, assim, a pressão no interior da quartinha.
c) com maior energia cinética média que escapam do líquido, diminuindo, assim, a energia cinética média desse sistema.
d) que, ao escaparem do líquido, diminuem a pressão atmosférica, aumentando, assim, a pressão no interior da quartinha.
8. (Ufscar 2005) Mantendo uma estreita abertura em sua boca, assopre com vigor sua mão agora! Viu?
Você produziu uma transformação adiabática! Nela, o ar que você expeliu sofreu uma violenta expansão, durante a qual
a) o trabalho realizado correspondeu à diminuição da energia interna desse ar, por não ocorrer troca de calor com o meio externo.
b) o trabalho realizado correspondeu ao aumento da energia interna desse ar, por não ocorrer troca de calor com o meio externo.
c) o trabalho realizado correspondeu ao aumento da quantidade de calor trocado por esse ar com o meio, por não ocorrer variação da sua energia interna.
d) não houve realização de trabalho, uma vez que o ar não absorveu calor do meio e não sofreu variação de energia interna.
e) não houve realização de trabalho, uma vez que o ar não cedeu calor para o meio e não sofreu variação de energia interna.
9. (Unesp 2005) Um pistão com êmbolo móvel contém 2 mols de O‚ e recebe 581J de calor. O gás sofre uma expansão isobárica na qual seu volume aumentou de 1,66 Ø, a uma pressão constante de 10¦ N/m£. Considerando que nessas condições o gás se comporta como gás ideal, utilize R = 8,3 J/mol.K e calcule
a) a variação de energia interna do gás.
b) a variação de temperatura do gás.
10. (Ufsc 2005) Com relação aos conceitos de calor, temperatura e energia interna, assinale a(s) proposição(ões) CORRETA(S).
(01) Associa-se a existência de calor a qualquer corpo, pois todo corpo possui calor.
(02) Quando as extremidades de uma barra metálica estão a temperaturas diferentes, a extremidade submetida à temperatura maior contém mais calor do que a outra.
(04) Calor é a energia contida em um corpo.
(08) Para se admitir a existência de calor são necessários, pelo menos, dois sistemas.
(16) Duas esferas de mesmo material e de massas diferentes, após ficarem durante muito tempo em um forno a 160 °C, são retiradas deste e imediatamente colocadas em contato. Logo em seguida, pode-se afirmar, o calor contido na esfera de maior massa passa para a de menor massa.
(32) Se colocarmos um termômetro, em um dia em que a temperatura está a 25 °C, em água a uma temperatura mais elevada, a energia interna do termômetro aumentará.
11. (Ufrrj 2005) As atividades musculares de um tri- atleta exigem, diariamente, muita energia. Veja na tabela a representação desses valores.
Um alimento oncentrado energético produz, quando metabolizado, 4000cal para cada 10g ingeridos.
Para as atividades físicas, o atleta, em um dia, precisará ingerir
a) 1,2 kg. b) 2,4 kg. c) 3,2 kg.
d) 2,8 kg. e) 3,6 kg.
12. (Unesp 2003) A energia interna U de uma certa quantidade de gás, que se comporta como gás ideal, contida em um recipiente, é proporcional à temperatura T, e seu valor pode ser calculado utilizando a expressão U=12,5T. A temperatura deve ser expressa em kelvins e a energia, em joules. Se inicialmente o gás está à temperatura T=300 K e, em uma transformação a volume constante, recebe 1 250 J de uma fonte de calor, sua temperatura final será
a) 200 K. b) 300 K. c) 400 K.
d) 600 K. e) 800 K.
13. (Ufrs 2006) Em uma transformação termodinâmica sofrida por uma amostra de gás ideal, o volume e a temperatura absoluta variam como indica o gráfico a seguir, enquanto a pressão se mantém igual a 20 N/m£.
Sabendo-se que nessa transformação o gás absorve 250 J de calor, pode-se afirmar que a variação de sua energia interna é de
a) 100 J. b) 150 J. c) 250 J.
d) 350 J. e) 400 J.
14. (Unesp 2003) Um gás, que se comporta como gás ideal, sofre expansão sem alteração de temperatura, quando recebe uma quantidade de calor Q = 6 J.
a) Determine o valor ÐE da variação da energia interna do gás.
b) Determine o valor do trabalho T realizado pelo gás durante esse processo.
15. (Unesp 2002) Certa quantidade de um gás é mantida sob pressão constante dentro de um cilindro, com o auxílio de um êmbolo pesado, que pode deslizar livremente. O peso do êmbolo mais o peso da coluna do ar acima dele é de 300N. Através de uma resistência elétrica de 5,0², em contato térmico com o gás, se faz circular uma corrente elétrica de 0,10A durante 10min.
a) Determine a quantidade de calor fornecida ao sistema.
b) Desprezando as capacidades térmicas do cilindro, êmbolo e resistência, e sabendo que o êmbolo se eleva lentamente de 0,030m durante o processo, determine a variação de energia interna do gás.
TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO (Ufpe 2007)
16. Dois corpos idênticos, de capacidades térmicas C = 1,3 x 10¨ J / °C e temperaturas iniciais T• = 66
°C e T‚ = 30 °C, são usados como fontes de calor para uma máquina térmica. Como conseqüência o corpo mais quente esfria e o outro esquenta, sem que haja mudança de fase, até que as suas temperaturas fiquem iguais a Tf = 46 °C. Determine o trabalho total realizado por esta máquina, em unidades de 10§ J.
17. (Ufc 2006) Analise as afirmações a seguir.
I. A variação de entropia do fluido operante num ciclo completo de uma máquina térmica de Carnot é igual a Q•/T•.
II. O trabalho necessário para efetivar uma certa mudança de estado num sistema é independente do caminho seguido pelo sistema, quando este evolui do estado inicial para o estado final.
III. De acordo com a segunda Lei da Termodinâmica e de observações relativas aos processos reversíveis e irreversíveis, conclui-se que as entropias inicial e final num processo adiabático reversível são iguais e que, se o processo for adiabático irreversível, a entropia final será maior que a inicial.
Com respeito às três afirmativas, é correto afirmar que apenas:
a) I é verdadeira. b) II é verdadeira.
c) III é verdadeira. d) I e II são verdadeiras.
e) II e III são verdadeiras.
18. (Ufrn 2005) Observe atentamente o processo físico representado na seqüência de figuras a seguir.
Considere, para efeito de análise, que a casinha e a bomba constituem um sistema físico fechado. Note que tal processo é iniciado na figura 1 e é concluído na figura 3.
Pode-se afirmar que, no final dessa seqüência, a ordem do sistema é
a) maior que no início e, portanto, durante o processo representado, a entropia do sistema diminui.
b) maior que no início e, portanto, durante o processo representado, a entropia do sistema aumentou.
c) menor que no início e, portanto, o processo representado é reversível.
d) menor que no início e, portanto, o processo representado é irreversível.
19. (Uel 2005) Uma das grandes contribuições para a ciência do século XIX foi a introdução, por Sadi Carnot, em 1824, de uma lei para o rendimento das máquinas térmicas, que veio a se transformar na lei que conhecemos hoje como Segunda Lei da Termodinâmica. Na sua versão original, a afirmação de Carnot era: todas as máquinas térmicas reversíveis ideais, operando entre duas temperaturas, uma maior e outra menor, têm a mesma eficiência, e nenhuma máquina operando entre essas temperaturas pode ter eficiência maior do que uma máquina térmica reversível ideal. Com base no texto e nos conhecimentos sobre o tema, é correto afirmar:
a) A afirmação, como formulada originalmente, vale somente para máquinas a vapor, que eram as únicas que existiam na época de Carnot.
b) A afirmação de Carnot introduziu a idéia de Ciclo de Carnot, que é o ciclo em que operam, ainda hoje, nossas máquinas térmicas.
c) A afirmação de Carnot sobre máquinas térmicas pode ser encarada como uma outra maneira de dizer que há limites para a possibilidade de aprimoramento técnico, sendo impossível obter uma máquina com rendimento maior do que a de uma máquina térmica ideal.
d) A afirmação de Carnot introduziu a idéia de Ciclo de Carnot, que veio a ser o ciclo em que operam, ainda hoje, nossos motores elétricos.
e) Carnot viveu em uma época em que o progresso técnico era muito lento, e sua afirmação é hoje desprovida de sentido, pois o progresso técnico é ilimitado.
20. (Ufsc 2005) O uso de combustíveis não renováveis, como o petróleo, tem sérias implicações ambientais e econômicas. Uma alternativa energética em estudo para o litoral brasileiro é o uso da diferença de temperatura da água na superfície do mar (fonte quente) e de águas mais profundas (fonte fria) em uma máquina térmica para realizar trabalho. (Desconsidere a salinidade da água do mar para a análise das respostas).
Assinale a(s) proposição(ões) CORRETA(S).
(01) Supondo que a máquina térmica proposta opere em um ciclo de Carnot, teremos um rendimento de 100%, pois o ciclo de Carnot corresponde a uma máquina térmica ideal.
(02) Uma máquina com rendimento igual a 20% de uma máquina ideal, operando entre 7 °C e 37 °C, terá um rendimento menor que 10%.
(04) Na situação apresentada, a temperatura mais baixa da água é de aproximadamente 4 °C pois, ao contrário da maioria dos líquidos, nesta temperatura a densidade da água é máxima. (08) É impossível obter rendimento de 100% mesmo em uma máquina térmica ideal, pois o calor não pode ser transferido espontaneamente da fonte fria para a fonte quente.
(16) Não é possível obtermos 100% de rendimento, mesmo em uma máquina térmica ideal, pois isto viola o princípio da conservação da energia.
21. (Ufmg 2005) Atualmente, a energia solar está sendo muito utilizada em sistemas de aquecimento de água.
Nesses sistemas, a água circula entre um reservatório e um coletor de energia solar. Para o perfeito funcionamento desses sistemas, o reservatório deve estar em um nível superior ao do coletor, como mostrado na Figura 1.
No coletor, a água circula através de dois canos horizontais ligados por vários canos verticais. A água fria sai do reservatório, entra no coletor, onde é aquecida, e retorna ao reservatório por convecção.
Nas quatro alternativas, estão representadas algumas formas de se conectar o reservatório ao coletor. As setas indicam o sentido de circulação da água.
Assinale a alternativa em que estão CORRETAMENTE representados o sentido da circulação da água e a forma mais eficiente para se aquecer toda a água do reservatório.
22. (Uel 2003) O reator utilizado na Usina Nuclear de Angra dos Reis - Angra II - é do tipo PWR (Pressurized Water Reactor). 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 320°C.
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, é correto afirmar:
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.
23. (Ufscar 2000) Maxwell, notável físico escocês da segunda metade do século XIX, inconformado com a possibilidade da morte térmica do Universo, conseqüência inevitável da Segunda Lei da Termodinâmica, criou o "demônio de Maxwell", um ser hipotético capaz de violar essa lei. Essa fictícia criatura poderia selecionar as moléculas de um gás que transitassem entre dois compartimentos controlando a abertura que os divide, como ilustra a figura.
Por causa dessa manipulação diabólica, as moléculas mais velozes passariam para um compartimento, enquanto as mais lentas passariam para o outro. Se isso fosse possível,
a) esse sistema nunca entraria em equilíbrio térmico.
b) esse sistema estaria em equilíbrio térmico permanente.
c) o princípio da conservação da energia seria violado.
d) não haveria troca de calor entre os dois compartimentos.
e) haveria troca de calor, mas não haveria troca de energia.
24. (Unicamp 2001) Com a instalação do gasoduto Brasil-Bolívia, a quota de participação do gás natural na geração de energia elétrica no Brasil será significativamente ampliada. Ao se queimar 1,0kg de gás natural obtém-se 5,0×10¨J de calor, parte do qual pode ser convertido em trabalho em uma usina termoelétrica. Considere uma usina queimando 7200 quilogramas de gás natural por hora, a uma temperatura de 1227°C. O calor não aproveitado na produção de trabalho é cedido para um rio de vazão 5000Ø/s, cujas águas estão inicialmente a 27°C. A maior eficiência teórica da conversão de calor em trabalho é dada por
n = 1 - (Tmin/Tmáx),
sendo T(min) e T(max) as temperaturas absolutas das fontes quente e fria respectivamente, ambas expressas em Kelvin. Considere o calor específico da água
c = 4000 J/kg°C.
a) Determine a potência gerada por uma usina cuja eficiência é metade da máxima teórica.
b) Determine o aumento de temperatura da água do rio ao passar pela usina.
25. (Fuvest 2001) Um motor de combustão interna, semelhante a um motor de caminhão, aciona um gerador que fornece 25kW de energia elétrica a uma fábrica. O sistema motor-gerador é resfriado por fluxo de água, permanentemente renovada, que é fornecida ao motor a 25°C e evaporada, a 100°C, para a atmosfera. Observe as características do motor na tabela. Supondo que o sistema só dissipe
calor pela água que aquece e evapora, determine:
a) A potência P, em kW, fornecida à água, de forma a manter a temperatura do sistema constante.
b) A vazão V de água, em kg/s, a ser fornecida ao sistema para manter sua temperatura constante.
c) A eficiência R do sistema, definida como a razão entre a potência elétrica produzida e a potência total obtida a partir do combustível.
26. (Unesp 2007) Um mol de gás monoatômico, classificado como ideal, inicialmente à temperatura de 60 °C, sofre uma expansão adiabática, com realização de trabalho de 249 J. Se o valor da constante dos gases R é 8,3 J/(mol K) e a energia interna de um mol desse gás é (3/2)RT, calcule o valor da temperatura ao final da expansão.
27. (Unifesp 2007) A figura representa uma amostra de um gás, suposto ideal, contida dentro de um cilindro. As paredes laterais e o êmbolo são adiabáticos; a base é diatérmica e está apoiada em uma fonte de calor.
Considere duas situações:
I. o êmbolo pode mover-se livremente, permitindo que o gás se expanda à pressão constante;
II. o êmbolo é fixo, mantendo o gás a volume constante.
Suponha que nas duas situações a mesma quantidade de calor é fornecida a esse gás, por meio dessa fonte. Pode-se afirmar que a temperatura desse gás vai aumentar
a) igualmente em ambas as situações.
b) mais em I do que em II.
c) mais em II do que em I.
d) em I, mas se mantém constante em II.
e) em II, mas se mantém constante em I.
28. (Ufsc 2007) Uma amostra de dois moles de um gás ideal sofre uma transformação ao passar de um estado i para um estado f, conforme o gráfico a seguir:
Assinale a(s) proposição(ões) CORRETA(S).
(01) A transformação representada no gráfico ocorre sem que nenhum trabalho seja realizado.
(02) Sendo de 100 Joules a variação da energia interna do gás do estado i até f, então o calor que fluiu na transformação foi de 1380 Joules.
(04) Certamente o processo ocorreu de forma isotérmica, pois a pressão e o volume variaram, mas o número de moles permaneceu constante.
(08) A primeira lei da Termodinâmica nos assegura que o processo ocorreu com fluxo de calor.
(16) Analisando o gráfico, conclui-se que o processo é adiabático.
29. (Ufg 2007) A figura a seguir mostra o comportamento de n mols de um gás ideal numa expansão adiabática AB entre as isotermas TÛ e T½.
Com base no gráfico, calcule:
a) A pressão p½.
b) A temperatura T½.
30. (Ufrs 2005) Um recipiente cilíndrico fechado,
provido de um êmbolo, contém certa quantidade de um gás ideal. À temperatura de 10 °C, o gás ocupa um volume V³ e sua pressão é P. A partir desse estado inicial, o gás sofre uma expansão isobárica até atingir a temperatura de 20 °C.
A respeito da transformação descrita acima, é correto afirmar que
a) o gás passa a ocupar, depois da transformação, um volume igual a 2V³.
b) a energia cinética média final das moléculas do gás é igual ao dobro da sua energia cinética média inicial.
c) a velocidade média das moléculas do gás não varia quando o gás passa do estado inicial para o estado final.
d) a variação na energia interna do gás é nula na transformação.
e) o calor absorvido pelo gás, durante a transformação, é maior que o trabalho por ele realizado.
31. (Ufpe 2007) Um mol de um gás ideal, inicialmente à temperatura de 300 K, é submetido ao processo termodinâmico AëBëC mostrado no diagrama V 'versus' T.
Determine o trabalho realizado pelo gás, em calorias.
Considere R = 2,0 cal/mol.K.
a) 1200 cal b) 1300 cal c) 1400 cal d) 1500 cal e) 1600 cal
32. (Ufg 2007) Transformações termodinâmicas, realizadas sobre um gás de número de mols constante que obedece à lei geral dos gases ideais, são mostradas na figura a seguir.
As transformações I, II e III são, respectivamente, a) adiabática, isobárica e isotérmica.
b) isobárica, adiabática e isotérmica.
c) isotérmica, isobárica e adiabática.
d) adiabática, isotérmica e isobárica.
e) isotérmica, adiabática e isobárica.
33. (Ufc 2007) Um recipiente cilíndrico fechado de volume V possui paredes adiabáticas e é dividido em dois compartimentos iguais por uma parede fixa, também adiabática. Em cada um dos compartimentos, encontram-se n mols de um gás ideal monoatômico. Suas respectivas temperaturas iniciais são T e 2T. A parede adiabática fixa é, então, liberada e pode se deslocar livremente. Com base nessas informações, analise as afirmativas seguintes.
I. Na situação final de equilíbrio, as temperaturas nos dois recipientes são iguais.
II. A parede isolante se move em direção ao compartimento que se encontrava inicialmente a uma temperatura T .
III. Se, na situação final de equilíbrio, o volume de um compartimento é o triplo do volume do outro, as temperaturas dos respectivos gases ideais monoatômicos são 9T/2 e 3T/2.
A partir das três assertivas, assinale a alternativa correta.
a) Somente I é verdadeira.
b) Somente II é verdadeira.
c) Somente III é verdadeira.
d) I e II são verdadeiras.
e) II e III são verdadeiras.
34. (Unicamp 2007). Vários textos da coletânea apresentada enfatizam a crescente importância das fontes renováveis de energia. No Brasil, o álcool tem sido largamente empregado em substituição à gasolina. Uma das diferenças entre os motores a álcool e à gasolina é o valor da razão de compressão da mistura ar-combustível. O diagrama
a seguir representa o ciclo de combustão de um cilindro de motor a álcool.
Durante a compressão (trecho i ë f) o volume da mistura é reduzido de V‹ para Vf. A razão de compressão r é definida como r = V‹/Vf. Valores típicos de r para motores a gasolina e a álcool são, respectivamente, r(g) = 9 e r(a) = 11. A eficiência termodinâmica E de um motor é a razão entre o trabalho realizado num ciclo completo e o calor produzido na combustão. A eficiência termodinâmica é função da razão de compressão e é dada por: E
¸1-1/Ër.
a) Quais são as eficiências termodinâmicas dos motores a álcool e à gasolina?
b) A pressão P, o volume V e a temperatura absoluta T de um gás ideal satisfazem a relação (PV)/T = constante.
Encontre a temperatura da mistura ar-álcool após a compressão (ponto f do diagrama). Considere a mistura como um gás ideal.
Dados: Ë7 ¸ 8/3; Ë9 = 3; Ë11 ¸10/3; Ë13 ¸ 18/5.
35. (Pucsp 2006) A figura representa dois modos diferentes de um homem soprar uma de suas mãos.
Considerando a segunda situação, o diagrama pressão (p) x volume (V) que melhor descreve a transformação AB que o ar soprado pelo homem sofre é
36. (Ufu 2006) Um gás bastante rarefeito está contido num balão de volume variável e é feito de um material que permite trocas de calor com o meio externo (paredes diatérmicas). Esse gás sofre uma transição, passando de sua configuração (inicial) 1 para uma segunda configuração (final) 2, conforme o diagrama pV apresentado a seguir.
Dado que não ocorre nenhuma reação química entre as moléculas que compõem o gás, nessa transição de 1 para 2 podemos afirmar que:
a) O meio externo realizou um trabalho sobre o gás, e a temperatura do gás aumentou.
b) O gás realizou um trabalho para o meio externo, que é numericamente igual à região hachurada do diagrama pV, e a energia cinética média das partículas que compõem o gás diminuiu.
c) O gás realizou um trabalho para o meio externo, que é numericamente igual à região hachurada do diagrama pV, e a energia cinética média das partículas que compõem o gás aumentou.
d) O gás realizou um trabalho para o meio externo, que é numericamente igual à região hachurada do diagrama pV, e a energia cinética média das
partículas que compõem o gás diminuiu no mesmo valor do trabalho realizado.
37. (Ufpel 2006) Considere as seguintes afirmações:
I. Numa expansão adiabática de um gás ideal não há troca de calor com o meio externo.
II. Quando a temperatura absoluta de um gás ideal duplica, a pressão aumenta por um fator Ë2.
III. Para uma transformação isobárica, um aumento de temperatura ocasionará uma redução de volume.
Está(ão) correta(s) a(s) afirmativa(s) a) apenas I e III. b) apenas II e III.
c) apenas III. d) I, II e III.
e) apenas I.
38. (Ufpel 2006) Os pontos A, B e C do gráfico representam três estados térmicos de uma determinada massa de gás, sendo TÛ, T½ e TÝ as temperaturas absolutas correspondentes.
Baseado no gráfico e em seus conhecimentos, é correto afirmar que
a) TÝ = T½ > TÛ. b) TÝ > T½ >TÛ.
c) TÝ = T½ = TÛ. d) TÝ < T½ = TÛ.
e) TÝ > T½ = TÛ.
39. (Ufms 2006) Uma certa quantidade de gás perfeito evolui de um estado I para um estado II e desse para um estado III, de acordo com o diagrama pressão versus volume, representado na figura.
Sabendo-se que a temperatura no estado I é 57 K, no estado III, ela será de
a) 95 K. b) 120 K. c) 250 K.
d) 330 K. e) 550 K.
40. (Ueg 2006) A figura a seguir mostra um ciclo de Carnot, usando como substância-trabalho um gás ideal dentro de um cilindro com um pistão. Ele consiste de quatro etapas.
De acordo com a figura, é INCORRETO afirmar:
a) De a para b, o gás expande-se isotermicamente na temperatura TH, absorvendo calor QH.
b) De b para c, o gás expande-se adiabaticamente até que sua temperatura cai para Tc.
c) De d para a, o gás é comprimido isovolumetricamente até que sua temperatura cai para Tc.
d) De c para d, o gás é comprimido isotermicamente na temperatura Tc, rejeitando calor Qc.
41. (Pucmg 2006) Uma bomba de encher bolas é acionada rapidamente com o orifício de saída do ar vedado, comprimindo-se o ar em seu interior, que vai do estado inicial 1 para o estado final 2.
Nessas condições, é CORRETO afirmar que a transformação termodinâmica, observada na passagem do estado 1 para o estado 2, aproxima-se mais de:
a) uma isométrica, já que a quantidade de gás se mantém constante.
b) uma adiabática, porque não há trocas de calor do ar com a vizinhança.
c) uma isotérmica, porque a temperatura do ar não se altera.
d) uma isobárica, porque a pressão não se altera.
42. (Pucrs 2006) Motores de potências relativamente altas são utilizados em embarcações marítimas, locomotivas, geradores e caminhões, tendo por base o ciclo Diesel de quatro tempos. Esses motores, em geral, são alimentados com a injeção direta do combustível em cada cilindro. O gráfico a seguir, da pressão em função do volume, representa esquematicamente o ciclo Diesel, por meio de seus quatro processos: "compressão adiabática" AB,
"expansão isobárica" BC, "expansão adiabática" CD e "transformação isovolumétrica" DA.
Considerando o ciclo Diesel apresentado no gráfico, a) não há variação de temperatura durante o processo AB.
b) não há variação de temperatura durante o processo DA.
c) a temperatura aumenta durante o processo AB.
d) a temperatura aumenta durante o processo CD.
e) a temperatura diminui durante o processo BC.
43. (Ufrs 2006) Na figura a seguir, os diagramas p × V representam duas transformações termodinâmicas de uma amostra de gás ideal.
As transformações 1 e 2, denominam-se, respectivamente,
a) Adiabática e isotérmica.
b) isobárica e isométrica.
c) isométrica e isotérmica.
d) adiabática e isobárica.
e) isométrica e isobárica.
44. (Ufpe 2006) No ciclo mostrado no diagrama pV da figura a seguir, a transformação AB é isobárica, a BC é isovolumétrica e a CA é isotérmica. Qual a quantidade total de calor absorvido pelo gás nas transformações AB e BC, em joules. Considere que o gás é ideal.
45. (Ufpe 2006) No ciclo mostrado no diagrama pV da figura a seguir, a transformação AB é isobárica, BC é isovolumétrica e CA é adiabática. Sabe-se que o trabalho realizado sobre o gás na compressão adiabática é igual a WÝÛ = -150 J. Determine a quantidade de calor total Q(tot) absorvido pelo gás durante um ciclo, em joules.
46. (Uerj 2006) O auditório do transatlântico, com 50 m de comprimento, 20 m de largura e 5 m de altura, possui um sistema de refrigeração que retira, em cada ciclo, 2,0 × 10¥ J de calor do ambiente. Esse ciclo está representado no diagrama a seguir, no qual P indica a pressão e V, o volume do gás empregado na refrigeração.
Calcule:
a) a variação da energia interna do gás em cada ciclo;
b) o tempo necessário para diminuir em 3°C a temperatura do ambiente, se a cada 6 segundos o sistema reduz em 1°C a temperatura de 25 kg de ar.
47. (Ufc 2006) Um gás ideal sofre as transformações mostradas no diagrama da figura a seguir.
Determine o trabalho total realizado durante os
quatro processos termodinâmicos
AëBëCëDëA.
48. (Ufms 2005) Sobre a equação de estado de um gás ideal pV = nRT onde p (pressão), V (volume), n (número de mols), R (constante universal) e T (temperatura), é correto afirmar que
(01) a temperatura tem que ser utilizada em Kelvin.
(02) a constante universal tem o mesmo valor qualquer que seja o sistema de medidas.
(04) na transformação isotérmica, pressão e volume são grandezas diretamente proporcionais.
(08) a constante universal não tem unidade de medida.
(16) na transformação isobárica, volume e temperatura são grandezas diretamente proporcionais.
Soma ( )
49. (Pucrs 2005) Considere a figura a seguir, que representa as variações da pressão de um gás, cujo comportamento é descrito pela equação de estado do gás ideal, em função do seu volume.
O gás passa sucessivamente pelos estados (1), (2) e (3), retornando ao estado (1). Considerando que entre os estados (1) e (2) a transformação é adiabática, ocorre troca de calor com o ambiente
a) somente entre (1) e (2).
b) somente entre (2) e (3).
c) somente entre (3) e (1).
d) entre (1) e (2) e entre (2) e (3).
e) entre (2) e (3) e entre (3) e (1).
50. (Unesp 2005) Um gás ideal é submetido às transformações AëB, BëC, CëD e DëA, indicadas no diagrama PxV apresentado na figura.
Com base nesse gráfico, analise as afirmações.
I. Durante a transformação AëB, a energia interna se mantém inalterada.
II. A temperatura na transformação CëD é menor do que a temperatura na transformação AëB.
III.Na transformação DëA, a variação de energia interna é igual ao calor absorvido pelo gás.
Dessas três afirmações, estão corretas:
a) I e II, apenas. b) III, apenas.
c) I e III, apenas. d) II e III, apenas.
e) I, II e III.
51. (Unifesp 2005) A figura 1 ilustra duas transformações de um gás ideal contido num cilindro de paredes adiabáticas. Em I, através de uma base diatérmica (que permite a passagem do calor), o gás recebe calor e faz o êmbolo, também construído de material adiabático, subir livremente, aumentando seu volume de V³ a V, atingindo a temperatura T.
Nesse estado, a fonte quente é retirada e substituída por um reservatório térmico à mesma temperatura T do gás. Em seguida, na transformação II, colocam- se grãos de areia sobre o êmbolo, lentamente, para que o gás possa manter-se em equilíbrio térmico com o reservatório. Nessas condições, o êmbolo baixa até que o gás volte a ocupar o mesmo volume V³ do início.
Considere desprezíveis as variações da pressão atmosférica. O diagrama p × V, que melhor
representa essas duas transformações, é o da figura:
52. (Ufrrj 2005) Certa massa gasosa, contida num reservatório, sofre uma transformação termodinâmica no trecho AB. O gráfico mostra o comportamento da pressão P, em função do volume V.
O módulo do trabalho realizado pelo gás, na transformação do trecho AB, é de:
a) 400J. b) 800J. c) 40kJ.
d) 80kJ. e) 600J.
53. (Unifesp 2004) O diagrama PV da figura mostra a transição de um sistema termodinâmico de um estado inicial A para o estado final B, segundo três caminhos possíveis.
O caminho pelo qual o gás realiza o menor trabalho
e a expressão correspondente são, respectivamente,
a) A ë C ë B e P (V‚ - V•).
b) A ë D ë B e P‚ (V‚ - V•).
c) A ë B e (P + P‚) (V‚ - V•)/2.
d) A ë B e (P• - P‚) (V‚ - V•)/2.
e) A ë D ë B e (P + P‚) (V‚ - V•)/2.
54. (Unesp 2003) Considere a transformação ABC sofrida por uma certa quantidade de gás, que se comporta como gás ideal, representada pelo gráfico pressão versus volume a seguir.
A transformação AB é isotérmica. São conhecidas: a pressão PÛ e o volume VÛ do gás no estado A e o volume 3VÛ do gás no estado B. Determine, em função desses dados,
a) a pressão P½ do gás no estado B.
b) o trabalho T realizado pelo gás na transformação BC.
55. (Pucrs 2005) A temperatura de um gás é diretamente proporcional à energia cinética das suas partículas. Portanto, dois gases A e B, na mesma temperatura, cujas partículas tenham massas na proporção de mÛ/m½=4/1, terão as energias cinéticas médias das suas partículas na proporção EcÛ/Ec½ igual a
a) 1/4 b) 1/2 c) 1 d) 2 e) 4
56. (Unesp 2006) Um gás ideal, confinado no interior de um pistão com êmbolo móvel, é submetido a uma transformação na qual seu volume é reduzido à quarta parte do seu volume inicial, em um intervalo de tempo muito curto. Tratando-se de uma transformação muito rápida, não há tempo para a troca de calor entre o gás e o meio exterior. Pode-se afirmar que a transformação é
a) isobárica, e a temperatura final do gás é maior que a inicial.
b) isotérmica, e a pressão final do gás é maior que a inicial.
c) adiabática, e a temperatura final do gás é maior que a inicial.
d) isobárica, e a energia interna final do gás é menor que a inicial.
e) adiabática, e a energia interna final do gás é menor que a inicial.
57. (Ufscar 2003) O gráfico mostra um ciclo de um fascinante fenômeno cuja explicação ainda desafia a física, a sonoluminescência: o volume de uma bolha de gás imersa num fluido é drasticamente reduzido devido à ação de uma onda sonora que se propaga nesse fluido e, ao atingir seu valor mínimo, a bolha emite um "flash" de luz. Logo em seguida, o volume da bolha oscila ligeiramente e o ciclo recomeça.
Cada ciclo dá origem a um "flash" de alguns picossegundos - os ciclos podem-se repetir muitas vezes, permitindo a observação do fenômeno durante alguns minutos.
(Adaptado de www.dawnlink.ltd.uk/sl/report.html)
a) Determine, aproximadamente, a freqüência da onda sonora que se propaga no fluido.
b) Durante a contração de volume, a pressão interna do gás contido na bolha aumenta de 1,0 . 10¤ Pa para 2,0 . 10© Pa, quando o volume da bolha chega a seu valor mínimo, de cerca de 1,0 . 10-¢£ m¤. Essa contração é adiabática ou isotérmica? Justifique.
GABARITO
1. [C]
2. [E]
3. a) tÛ = 200s b) t½ = 6s c) • = 810J 4. [A]
5. a) •a = 0,5 J •g = 0,5 J
b) De acordo com a 1• Lei da Termodinâmica, fundamentada na conservação de energia, a quantidade de calor absorvida pelo gás é:
Q = ÐU + •gás na qual ÐU = 3/2 P . ÐV
Q = 3/2 . 2 . 10¦ . 10-¥ . 5 . 10-£ + 1 Q = 2,5 J
6. [C]
7. [C]
8. [A]
9. a) 415J b) 10K ou 10°C 10. 08 + 32 = 40 11. [A]
12. [C]
13. [B]
14. a) ÐE = 0 b) T = 6J 15. a) Q = 30J.
b) ÐU = 21J.
16. W = 52 x 10§ J.
17. [C]
18. [A]
19. [C]
20. 02 + 04 + 08 = 14 21. [D]
22. [E]
23. [A]
24. a) P = 40 MW b) К = 3°C 25. a) P = 125 kW b) V = 5 . 10-£ kg/s c) R = 16,7 %
26. Q = • + ÐU = 0
• + ÐU = 0
249 + (3/2).R.ÐT = 0
249 + (3/2).8,3.[T - (60 + 273)] = 0 249 + 12,45.[T - (333)] = 0
12,45.[T - (333)] = - 249 [T - (333)] = - 249/12,45 T - 333 = - 20
T = 333 - 20 = 313 K = 40 °C 27. [C]
28. 02 + 08 = 10
29. a) p½ = 1/4 atm = 0,25 atm b) T½ = 100 K
30. [E]
31. [A]
32. [A]
33. [B]
34. a) E(g) = 66,7% e E(a) = 70%.
b) T(f) = 810 K 35. [D]
36. [C]
37. [E]
38. [A]
39. [A]
40. [C]
41. [B]
42. [C]
43. [E]
44. 80 J
45. Q(tot) = W(tot) = 90 J.
46. a) ÐU = 1,3 × 10¥ J b) t = 4.500 s
47. W(total) = W(ciclo) que é numericamente igual a área do ciclo, ou seja, a área do paralelogramo = base multiplicada pela altura.
Assim:
(6V³ - 2V³ )( p‚ - p ) = 4V³(p‚ - p• ).
48. 01 + 16 = 17 49. [E]
50. [E]
51. [A]
52. [C]
53. [B]
54. a) PÛ/3 b) -2/3 PÛVÛ 55. [C]
56. [C]
57. a) 2,5.10¢¡Hz
b) adiabática, pois ocorreu um processo de transformação extremamente rápida, sem ganho ou perda de calor.
