Física - Livro 1-377-380

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J as energias internas dos dois gases, que eram
inicialmente iguais, após o fornecimento de calor
continuam iguais.
J as energias internas, que eram inicialmente diferen-
tes, continuam diferentes.
J as energias internas, que eram iguais, agora são
diferentes.
J as energias internas variam.
J faltam dados para responder algo a respeito da
variação da energia interna.
44 UFMA De acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica,
a variação da energia interna (DU) de um sistema é igual
à diferença entre o calor trocado com o ambiente (Q)
e o trabalho realizado no processo termodinâmico (t).
Dessa forma, qual o valor de DU, respectivamente,
quando um gás ideal passa por uma transformação
do tipo: isotérmica, isobárica, isométrica, adiabática, e
cíclica?
A zero, Q – t, Q, –t, zero.
b Q – t, Q, zero, –t, zero.
C zero, Q, Q – t, zero, –t.
d Q, –t, Q – t, zero, zero.
e –t, Q, zero, Q – t, zero.
45 Vunesp O ciclo de Carnot, de importância fundamental
na Termodinâmica, é constituído por um conjunto de
transformações definidas. Num diagrama (P, V) você
esboçaria esse ciclo usando:
A uma isotérmica, uma isobárica, uma adiabática e
uma isocórica.
b duas isotérmicas e duas adiabáticas.
C duas isobáricas e duas isocóricas.
d duas isobáricas e duas isotérmicas.
e uma isocórica, uma isotérmica e uma isobárica.
46 EsPCEx 2019 Um gás ideal é comprimido por um agen-
te externo, ao mesmo tempo em que recebe calor de
300 J de uma fonte térmica. Sabendo-se que o traba-
lho do agente externo é de 600 J, então a variação de
energia interna do gás é
A 900 J.
b 600 J.
C 400 J.
d 500 J.
e 300 J.
47 FICSAE 2019 Para provocar a transformação gasosa
ABC, representada no diagrama P × V, em determi-
nada massa constante de gás ideal, foi necessário
fornecer-lhe 1   400 J de energia em forma de calor, dos
quais 300 J transformaram se em energia interna do
gás, devido ao seu aquecimento nesse processo.
Considerando não ter havido perda de energia, o tra-
balho realizado pelas forças exercidas pelo gás no
trecho AB dessa transformação foi de
A 600 J.
b 400 J.
C 500 J.
d 1   100 J.
e 800 J.
48 UFRGS 2020 Uma máquina de Carnot apresenta um
rendimento de 40%, e a temperatura de sua fonte
quente é 500 K. A máquina opera a uma potência de
4,2 kW e efetua 10 ciclos por segundo. Qual é a tem-
peratura de sua fonte fria e o trabalho que a máquina
realiza em cada ciclo?
A 200 K – 42 J.
b 200 K – 420 J.
C 200 K – 42   000 J.
d 300 K – 42 J.
e 300 K – 420 J.
49 Uma máquina a vapor recebe ar saturado de uma
caldeira à temperatura de 227 ºC e descarrega o va-
por despendido à temperatura de 77 ºC (diretamente
no ar atmosférico). Se a máquina operasse segundo
o ciclo de Carnot, o seu rendimento máximo, em per-
centagem, seria de que valor?
50 Unioeste 2019 Em um sistema fechado, um gás ideal
passa lentamente de um estado inicial 1 para um esta-
do final 2 devido a uma expansão isotérmica. Assim,
ao final deste processo termodinâmico,
A o gás não terá absorvido energia na forma de calor
uma vez que a temperatura no estado 1 é igual à
temperatura no estado 2.
b o trabalho realizado pelo gás será igual à variação
da energia interna calculada entre o estado 2 e o
estado1.
C o calor absorvido pelo gás será igual à variação da
energia interna calculada entre o estado 2 e o estado1.
d o trabalho realizado sobre o gás será igual à ener-
gia por ele absorvida na forma de calor ao passar
do estado 1 para o estado 2.
e o trabalho realizado pelo gás será igual à energia
por ele absorvida na forma de calor ao passar do
estado 1 para o estado 2.
51 Uma máquina opera entre duas fontes térmicas de
temperaturas –23 ºC e 477 ºC, rejeitando em cada
ciclo 627 J de calor para a fonte fria. Para que essa
máquina esteja operando no rendimento máximo
teórico, quanto de calor, em calorias, deve estar rece-
bendo da fonte quente?
Dado: 1 cal = 4,18 J.
FÍSICA Capítulo 6 Gases e Termodinâmica378
52 UEM O diagrama a seguir representa o ciclo de Carnot
realizado por um gás ideal que sofre transformações
em uma máquina térmica.
P
T
1
T
2
V
C
D
A
B
Com relação ao ciclo de Carnot, é correto armar que:
A o gás sofre duas expansões isotérmicas.
b o rendimento da máquina é de 100%.
C o gás sofre uma expansão adiabática de B para C.
 o gás sofre uma compressão adiabática de C para D.
 o gás sofre uma compressão isotérmica de D para A.
53 UEPB Leia o texto a seguir.
A Revolução Industrial consistiu em um conjunto de
mudanças tecnológicas com profundo impacto no pro-
cesso produtivo em nível econômico e social. Iniciada na
Inglaterra em meados do século XVIII, expandiu-se pelo
mundo a partir do século XIX. James Hargreaves, 1764,
na Grã-Bretanha, inventa a fiadora “spinning Jenny”, uma
máquina de fiar rotativa que permitia a um único artesão
fiar oito fios de uma só vez.
James Watt, 1768, inventa a máquina a vapor; Gottlieb Daimler, 1885,
inventou um motor a explosão etc.
Acerca do assunto tratado no texto, em relação às
máquinas térmicas, de acordo com a segunda lei da
Termodinâmica, podemos armar:
I. Nenhuma máquina térmica operando em ciclos
pode retirar calor de uma fonte e transformá-lo
integralmente em trabalho.
II. A segunda lei da Termodinâmica se aplica aos
refrigeradores, porque esses transferem calor da
fonte fria para a fonte quente.
III. O rendimento de uma máquina térmica que opera
em ciclos pode ser de 100%.
Após a análise feita, verica-se que é(são) correta(s)
apena(s) a(s) proposição(ões):
A II e III.
b II.
C III.
 I.
 I e II.
54 Enem A invenção da geladeira proporcionou uma revo-
lução no aproveitamento dos alimentos, ao permitir que
fossem armazenados e transportados por longos perío-
dos. 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.
Compressor
Válvula de
expansão
Compartimento
do congelador
Disponível em: <http://home.howstuworks.com>. (Adapt.).
Nos processos de transformação de energia envolvi-
dos 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.
 a eficiência é tanto maior quanto menos isolado
termicamente do ambiente externo for o seu com-
partimento interno.
 a energia retirada do interior pode ser devolvida à
geladeira abrindo-se a sua porta, o que reduz seu
consumo de energia.
55 ITA Uma máquina térmica opera segundo o ciclo
JKLMJ mostrado no diagrama T-S da figura.
T (K)
J
M
K
L
S
2
S
1
T
1
T
2
S (J/K)
Pode-se armar que:
A o processo JK corresponde a uma compressão iso-
térmica.
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 –
T
T
.
2
1
 durante o processo LM, uma quantidade de calor
QLM = T1(S2 – S1) é absorvida pelo sistema.
 outra máquina térmica que opere entre T2 e T1 po-
deria eventualmente possuir um rendimento maior
que o desta.
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Geladeira solar
Pesquisadores da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) desenvolveram um novo sistema de refrigeração à base de energia solar, que poderá
beneficiar produtores rurais de leite no Nordeste brasileiro.
O sistema resfria o leite por meio de um processo de absorção sólida. O projeto foi desenvolvido por Ana Rosa Mendes Primo, professora do
Grupo de Engenharia Térmica do Departamento de Engenharia Mecânica da UFPE, e por Rogério Klüppel, professor aposentado da Universidade
Federal da Paraíba(UFPB).
De acordo com Ana Rosa, o sistema, que atinge temperatura mínima de 7 ºC, começou a ser desenvolvido em 2002, quando o Ministério da Agricultura
estabeleceu novas normas técnicas para a coleta e o transporte de leite em propriedades rurais.
“A lei determina que todo tipo de leite deve ser refrigerado ainda no local de produção, o que causa dificuldades para os produtores, uma vez que a
maioria tem acesso precário e caro à energia elétrica”, disse Ana Rosa à Agência FAPESP.
Contando só o leite bovino, Pernambuco produz cerca de 186 milhões de litros por ano. A bacia leiteira se concentra no agreste (71%). O sertão produz
16% e a zona da mata 10%. A atividade emprega cerca de 80 mil pessoas no estado.
Segundo a pesquisadora da UFPE, a tecnologia de refrigeração solar poderá contribuir para diminuir o êxodo rural em todo o Nordeste, aproveitando
as condições climáticas favoráveis de céu limpo e pouca precipitação ao longo do ano.
O refrigerador é composto por um coletor solar plano, cujo interior é cheio de sílica gel – material usado para absorver umidade. O sistema tem uma
válvula de passagem de água com acionamento manual.
“A sílica gel libera vapor d’água a partir da ação do sol. Quando o sol incide sobre o reator, o calor penetra no coletor e a sílica começa a expulsar
o vapor d’água, que é direcionado para o condensador, liquefeito e acumulado em um recipiente”, disse.
Segundo Ana Rosa, no meio da tarde, quando o calor começa a diminuir, é preciso abrir a válvula para que a água desça para o evaporador, produzindo
a refrigeração dos baldes de leite. “O vapor retorna pelo mesmo caminho pelo qual passou a água. Quando o sol volta a nascer, é hora de fechar a
válvula e recomeçar o ciclo”, explicou.
Os pesquisadores trabalham agora para incorporar ao sistema um controle automático para a válvula, dispensando a abertura manual para a liberação
da água no fim do dia. ”A ideia é incorporar uma válvula solenoide operada por energia solar, criando um sistema independente para ela”, disse a
pesquisadora.
Atualmente, uma produção de cem refrigeradores solares faria com que cada unidade custasse em torno de R$ 5.000,00, na avaliação dos pesqui-
sadores. ”É um custo mais que razoável, levando em conta que o tempo de vida útil de cada equipamento é de 30 anos”, disse. Segundo Ana Rosa,
a empresa paraibana Solartech, que pertence a Klüppel, pretende fabricar o equipamento.
Fábio de Castro. Agência Fapesp, 2 ago. 2007. Disponível em: <http://agencia.fapesp.br/7534>. Acesso em: 27 ago. 2020.
Trocas de calor e a teoria do calórico
Até meados do século XIX, todos os processos termológicos eram justificados com base na teoria do calórico. Segundo essa teoria, todos os corpos
possuíam uma substância denominada “calórico”, que era trocada espontaneamente quando corpos a temperaturas diferentes eram postos em contato.
Quando os corpos apresentassem a mesma temperatura, essa troca cessava. Embora o calórico justificasse inúmeros fatos experimentais, nunca
foi identificado experimentalmente.
Deve-se a Benjamin Thompson (1753-1814) a primeira suspeita sobre a inexistência do calórico, quando supervisionava a fabricação de canhões
para o governo da Bavária. Na operação de perfuração dos lingotes metálicos, os orifícios eram mantidos cheios de água, que era reposta à medida
que se processava a evaporação. Esse aquecimento era provocado pelas ferramentas de corte que, em contato com a peça, desbastavam o metal
constituinte do cano do canhão.
De início, Thompson aceitava que o metal perdia a sua capacidade de reter calórico ao ser desbastado, e, por isso, o calórico passava do metal para
a água, provocando o aquecimento desta. Porém, ele notou que tal aquecimento continuava, mesmo quando cessava o desbastamento do metal,
em virtude de as ferramentas perderem corte, fato que dificultava a explicação da passagem do calórico do metal para a água. Thompson lançou a
hipótese segundo a qual o trabalho realizado era o responsável pelo aparecimento do calor que provocava o aquecimento da água. Essa hipótese é
fortalecida pela experiência de Davy, que mostra a possibilidade de fundir pedaços de gelo atritando-os uns aos outros no interior de um recipiente
mantido à temperatura inferior a 0 ºC. Posteriormente, Mayer concluiu, como consequência de suas experiências realizadas no campo da Biologia,
que o calor é uma entre as várias formas nas quais a energia pode se apresentar. Mayer chegou a calcular o trabalho posto em jogo e a quantidade
de calor correspondente, a partir dos calores específicos, a pressão e a volume constantes, obtendo valor apenas aproximado, em decorrência de
erros cometidos na medição desses calores específicos.
James Prescot Joule (1818-1889) mostrou em definitivo que a transformação de trabalho em calor é independente da maneira pela qual o trabalho é
posto em jogo e que, nesse processo de conversão de energia, ao mesmo trabalho corresponde sempre a mesma quantidade de calor.
eTextos complementares
FÍSICA Capítulo 6 Gases e Termodinâmica380
Os gases apresentam muitas propriedades físicas em comum; independen-
temente de sua natureza química, um gás ideal, ou gás perfeito, é aquele
cujo comportamento se aproxima do observado na maioria dos gases reais.
O comportamento térmico dos gases pode ser analisado, do ponto de
vista macroscópico, por meio das variáveis de estado, pressão, volume
e temperatura. O estado de equilíbrio de um gás pode ser caracterizado
por três valores (P, V e T). A variação de pelo menos duas das variáveis de
estado resulta em uma transformação gasosa.
Transformação isotérmica: (T = cte.)⇒ PV = cte.
PiVi = PfVf
P
P
i
P
f
V
i
V
f
V
T
i
f
Transformação isobárica: (P = cte.)⇒
V
T
 = cte.
P
fi
V
P
i
≡ P
f
V
i
V
f
T
f
T
i
Transformação isométrica: (V = cte.)⇒ P
T
 = cte.
P
f
i
V
P
i
V
i
 = V
f
T
f
T
i
P
f
Equação geral dos gases: P V
T
 =
P V
T
i i
i
f f
f
Resumindo
Equação de Clapeyron: PV = nRT
A densidade, ou massa específica, de um gás ideal pode ser calculada
pela equação de estado:
d =
PM
RT
Transformação adiabática: não há troca de calor entre o sistema e o
meio exterior.
Q = 0⇒ P · Vg = cte.
Em uma transformação gasosa, quando há variação no volume da massa
de gás, pode haver expansão ou contração da massa gasosa. No caso
de expansão, o gás realiza trabalho contra o exterior (t > 0), no caso de
contração, o exterior realiza trabalho contra o gás (t < 0).
O trabalho realizado, do ponto de vista gráfico, qualquer que seja a
transformação, é numericamente igual à área compreendida entre a
curva que caracteriza a transformação, no diagrama P versus V, e o eixo
dos volumes.
P
0
P
f
V
f
V
i
V
f
i
P
i
τ
τ = área
P × V
N
Quando um sistema troca calor e trabalho com o meio exterior, a energia
interna do sistema é a diferença entre o calor e o trabalho trocados pelo
sistema com o meio exterior, independentemente da trajetória. Esse enun-
ciado é conhecido como primeiro princípio da Termodinâmica.
DU = Q – t
Quando ocorre uma mudança de estado, o calor latente (L) torna-se im-
portante para a variação da energia interna do sistema.
DU = mL – t
Trabalho e calor são características das transformações que um sistema
pode sofrer. Um sistema muda de um estado de equilíbrio para outro
devido às trocas de calor. Quando um gás percorre um ciclo – em uma
sequência de transformações, levando a uma transformação cíclica –,
sua energia interna permanece constante, e o calor e o trabalho trocados
pelo gás com o exterior são iguais.
O rendimento de um ciclo é a razão entre o trabalho que pode ser apro-
veitado em decorrência de o sistema percorrer o ciclo e a quantidade de
calor fornecida ao sistema. Em um ciclo de Carnot o rendimento é:
η
Carnot
1 2
1
=
T T
T
−
As condições pelas quais as transformações de um sistema podem ocorrer
são estabelecidas pelo segundo princípio da Termodinâmica, que mostra
que todos os processos naturais são irreversíveis.
Nãopode existir um motor com rendimento de 100%, isto é, não pode
existir um motor cuja fonte fria esta à temperatura igual ao zero absoluto,
de acordo com o terceiro princípio da Termodinâmica.