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Protótipo de Máquina Térmica Apresentação 1. OBJETIVO Neste experimento, você vai poder aplicar os conceitos da segunda lei da termodinâmica e identificar os processos de trocas de energia da máquina térmica. Ao final deste experimento, você deverá ser capaz de: demonstrar de forma prática as transformações de calor em trabalho mecânico;• identificar as características das máquinas térmicas;• reconhecer o funcionamento dos ciclos termodinâmicos.• 2. ONDE UTILIZAR ESSES CONCEITOS? As máquinas térmicas estão presentes em nosso cotidiano e são importantes no uso de diversas tecnologias, como motores de combustão interna, máquinas movidas a vapor, usinas termoelétricas, entre outras. 3. O EXPERIMENTO Os materiais que serão utilizados nesse experimento são: tubo de vidro ou metal, seringa, tubo flexível, cola, fita adesiva, álcool em gel, tampa de alumínio, placa de madeira (o tamanho está descrito no roteiro), arame flexível, placa de alumínio (o tamanho está descrito no roteiro, podendo ser de lata de refrigerante), caixa de fósforos e dois blocos de madeira. Na montagem do experimento, sugere-se iniciar com a placa de madeira, que precisa ser fixada aos dois blocos; em cima destes, deve-se fixar a placa de alumínio. Sobre ela, deve ser apoiado o tubo de vidro, prendendo-o com o arame; deve-se utilizar o tubo flexível para ligá-lo ao início do tubo da seringa. A partir disso, deve-se fixar a placa com a fita adesiva. Após esses procedimentos, deve-se utilizar a tampinha de garrafa para colocar o algodão com álcool em gel e queimá-lo. O experimento demonstra os efeitos causados em um gás quando aumentamos a temperatura e mostra a capacidade que um gás tem de realizar trabalho. 4. SEGURANÇA Nessa prática, é necessário o uso de jalecos, luvas e óculos de proteção, para que não ocorra nenhum tipo de danos físicos ao se desenvolver o experimento. O uso de álcool e fogo pode ser perigoso, por isso, use com cautela, para que não ocorram queimaduras. Após o uso dos materiais, se tiver restado algo, guarde em um local seguro. 5. CENÁRIO Essa aula será realizada no laboratório de física, onde você encontrará bancadas e armários. Em uma das bancadas, você vai começar a construção do experimento. Caso falte algum material, você pode se dirigir ao armário do laboratório. Bons estudos. Sumário teórico Acesse o sumário: LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA A máquina térmica está associada ao estudo da termodinâmica. Segundo Çengel e Boles (2013), a termodinâmica poder ser definida como a ciência da energia. Embora as pessoas tenham uma ideia do que seja a energia, é difícil estabelecer uma definição exata. No entanto, podemos dizer que a energia tem a capacidade de causar alteração no sistema. Quando o princípio da conservação de energia é aplicado em sistemas térmicos, "passamos a chamá-lo de primeira lei da termodinâmica, ou seja, sempre que o calor for transferido para um sistema, ele se transformará em uma quantidade igual de outro tipo de energia" (HEWITT, p. 183, 2009). A primeira lei da termodinâmica explica as diversas variáveis envolvidas no processo físico, porém não menciona nada sobre a direção do processo. Potter e Somerton (2017) afirmam que a segunda lei da termodinâmica nos ajuda a estabelecer o sentido de um determinado processo. Essa lei também implica que a variação da entropia do universo após algum processo será sempre maior ou igual a zero. Um enunciado formulado por Kelvin para poder compreender a segunda lei da termodinâmica tem a seguinte forma: não há nenhum processo no qual calor é extraído de uma fonte e convertido inteiramente em trabalho útil, sem nenhuma outra consequência para o resto do universo. Isto é, o processo deve ser reversível. Como se trata de processos cíclicos, então a "formulação de Kelvin poderia ser enunciada assim: não há nenhuma máquina térmica operando ciclicamente capaz de remover calor de um reservatório e convertê-lo integralmente em trabalho" (OLIVEIRA; DECHOUM, p. 360, 2003). LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br A partir disso, podemos passar a compreender melhor como trabalham as máquinas térmicas, visto que estas funcionam em ciclos e são capazes de converter calor em trabalho (W). Esse tipo de dispositivo sempre vai operar entre duas fontes de calor, sendo elas: uma fonte quente, em que a temperatura é maior (𝑇𝑞), e uma fonte fria (𝑇𝑓), que contém uma temperatura menor. A base de seu funcionamento está relacionada à retirada de calor da fonte quente (𝑄𝑞), sendo que uma parte desse calor é convertida em trabalho mecânico e a outra parte é rejeitada para a fonte fria (𝑄𝑓), como pode ser visto na Figura 1. As máquinas térmicas se diferem consideravelmente umas das outras, mas todas podem ser caracterizadas pelo seguinte: 1. RECEBEM calor de uma fonte de alta temperatura (energia solar, aquecedor a óleo, reator nuclear etc.); 2. CONVERTEM parte desse calor em trabalho (geralmente ocorrem na forma de um eixo rotatório); 3. REJEITAM o calor que não foi usado para um reservatório chamado fonte fria (atmosfera, rios etc.); 4. Operam em um ciclo Ciclos termodinâmicos representam as transformações das condições termodinâmicas de uma substância. Na prática, os ciclos termodinâmicos idealizados simples são geralmente constituídos pelos quatro processos termodinâmicos descritos a seguir. • Processo adiabático: não há transferência de calor para dentro ou para fora do sistema (Q = 0); • Processo isotérmico: a temperatura do sistema permanece constante (T = const.); • Processo isobárico: a pressão do sistema permanece constante (p = const.); • Processo isocórico: o volume do sistema fechado permanece constante (V = const.). LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br Assim, nas máquinas térmicas, o trabalho é gerado por meio da aplicação dos ciclos adequados, que são conhecidos como ciclos de Carnot, Otto, Diesel, Brayton e outros. Vale salientar que cada ciclo opera em condições diferentes. A Figura 1 demonstra como seria uma máquina térmica e como se comporta o seu fluxo de energia. Figura 1 – Modelo de uma máquina térmica (2010 apud TEXEIRA, G. P., MALHEIROS, F. C. N, 2018). As máquinas térmicas não têm uma eficiência máxima — há perdas em seu processo. Então: 𝑊 = 𝑄𝑞 − 𝑄𝑓 (1) Logo, o trabalho realizado em máquinas térmicas será a diferença do calor fornecido pela fonte quente em relação ao calor absorvido pela fonte fria. Podemos analisar também o funcionamento da máquina térmica de outra forma: atribuindo o conceito de rendimento de uma máquina térmica, que nada mais é LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br do que a porcentagem do calor recebido da fonte quente. Quanto maior o rendimento de uma máquina, maior será a sua eficiência. Em outras palavras, uma máquina térmica eficiente é aquela que produz mais trabalho consumindo menor quantidade de recursos energéticos (ALMEIDA, 2011). O rendimento (ou eficiência) ɳ de uma máquina térmica é definido pela razão entre o trabalho realizado W e o calor positivo 𝑄𝑞𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 recebido da fonte quente pelo motor: η = 𝑊 𝑄𝑞𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 (2) Vale ressaltar que éimpossível construir uma máquina que trabalhe com rendimento máximo, isto é, que transforme todo o calor recebido em trabalho mecânico. Isso porque a fração de energia térmica que não é utilizada para realizar trabalho é transferida para outra fonte a uma temperatura inferior (ALMEIDA, 2011). Até 1824, não tinha sido comprovado teoricamente o funcionamento de uma máquina térmica ideal que permitisse rendimento máximo. Foi a partir dos estudos do físico e engenheiro militar Nicolas Léonard Sadi Carnot que esse entendimento se tornou possível. Porém, é importante ter em mente que nenhuma máquina térmica real funciona nas mesmas condições da máquina idealizada por Carnot. A máquina de Carnot tem um limite máximo por ciclo para extração de trabalho sem comprometer a reversibilidade do processo e sem degradar energia útil (OLIVEIRA; DECHOUM, 2003). O ciclo de Carnot é um ciclo particular de transformações termodinâmicas de um gás ideal. É composto por duas transformações isotérmicas e duas transformações adiabáticas. A Figura 2 mostra o ciclo associado com a máquina de Carnot usando um gás ideal como substância de trabalho. LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br Figura 2 – O ciclo de Carnot. Fonte: Autoria própria. As transformações que acontecem no diagrama são: • AB — expansão isotérmica; • BC — expansão adiabática; • CD — contração isotérmica; • DA — contração adiabática. O trabalho total (líquido) feito pelo sistema ao fim do ciclo é dado pela área dentro do ciclo. No laboratório virtual, você vai poder identificar cada processo que faz parte do funcionamento de uma máquina térmica. LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AGUIAR, C. E.; MOURA, M. Entropia e a segunda lei da termodinâmica. Rio de Janeiro: UFRJ, 2016. ALMEIDA, U. F. Sobre o conceito de entropia nos livros didáticos brasileiros para o ensino médio. 2011. Trabalho de Conclusão de Curso (Licenciatura em Física) — Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte, Natal, pag. 20, 2011. ÇENGEL, Y. A.; BOLES, M. A. Termodinâmica. Porto Alegre: AMGH, Pag. 278, 2013. DÁRIO, E. R. Segunda Lei da Termodinâmica. Joinville: IFSC, 2014. HEWITT, P. G. Física conceitual. Porto Alegre: Bookman, 2009. OLIVEIRA, P. M. C.; DECHOUM, K. Facilitando a compreensão da segunda lei da termodinâmica. Rev. Bras. Ensino Fís., São Paulo, v. 25, n. 4, dez. 2003. Disponível em: http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1806- 11172003000400004&lng=en&nrm=iso. Acesso em: 05 mar. 2021. MAGALHAES, W. F., FERNANDES, N. G., FERREIRA, A. C., Físico-química I, Termodinâmica do Equilíbrio. Minas Gerais: UFMG/Dep. De Química, pag. 6, 2009. PIBID FÍSICA. Máquinas térmicas. A Física Ontem e Hoje, v. 22, maio 2017. Disponível em: https://fisica.alegre.ufes.br/sites/fisica.alegre.ufes.br/files/field/anexo/jornal_22a_edi cao-_online_.pdf. Acesso em: 05 mar. 2021. LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br POTTER, M. C.; SOMERTON, C. W. Termodinâmica para engenheiros. Porto Alegre: Bookman, 2017. ORLADINI, G. Bomba de calor e a termodinâmica. Cascavel: Cadernos PDE, v. II, 2008. TEXEIRA, G. P., MALHEIROS, F. C. N., Máquinas Térmicas. Porto Alegre: SAGAH, Pag. 19, 2018. Roteiro Acesse o roteiro: 1 ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA INSTRUÇÕES GERAIS 1. Neste experimento, você compreenderá os princípios de uma máquina térmica através da simulação do seu funcionamento. 2. Utilize a seção “Recomendações de Acesso” para melhor aproveitamento da experiência virtual e para respostas às perguntas frequentes a respeito do VirtuaLab. 3. Caso não saiba como manipular o Laboratório Virtual, utilize o “Tutorial VirtuaLab” presente neste Roteiro. 4. Caso já possua familiaridade com o Laboratório Virtual, você encontrará as instruções para realização desta prática na subseção “Procedimentos”. 5. Ao finalizar o experimento, responda aos questionamentos da seção “Avaliação de Resultados”. 2 ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA RECOMENDAÇÕES DE ACESSO PARA ACESSAR O VIRTUALAB 1. Caso utilize o Windows 10, dê preferência ao navegador Google Chrome; 2. Caso utilize o Windows 7, dê preferência ao navegador Mozilla Firefox; 3. Feche outros programas que podem sobrecarregar o seu computador; 4. Verifique se o seu navegador está atualizado; 5. Realize teste de velocidade da internet. Na página a seguir, apresentamos as duas principais dúvidas na utilização dos Laboratórios Virtuais. Caso elas não se apliquem ao seu problema, consulte a nossa seção de “Perguntas Frequentes”, disponível em: https://algetec.movidesk.com/kb/pt-br/ Neste mesmo link, você poderá usar o chat ou abrir um chamado para o contato com nossa central de suporte. Se preferir, utilize os QR CODEs para um contato direto por Whatsapp (8h às 18h) ou para direcionamento para a central de suporte. Conte conosco! ATENÇÃO: O LABORATÓRIO VIRTUAL DEVE SER ACESSADO POR COMPUTADOR. ELE NÃO DEVE SER ACESSADO POR CELULAR OU TABLET. O REQUISITO MÍNIMO PARA O SEU COMPUTADOR É UMA MEMÓRIA RAM DE 4 GB. SEU PRIMEIRO ACESSO SERÁ UM POUCO MAIS LENTO, POIS ALGUNS PLUGINS SÃO BUSCADOS NO SEU NAVEGADOR. A PARTIR DO SEGUNDO ACESSO, A VELOCIDADE DE ABERTURA DOS EXPERIMENTOS SERÁ MAIS RÁPIDA. 3 ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA PERGUNTAS FREQUENTES 1) O laboratório virtual está lento, o que devo fazer? a) No Google Chrome, clique em “Configurações” -> “Avançado” -> “Sistema” -> “Utilizar aceleração de hardware sempre que estiver disponível”. Habilite a opção e reinicie o navegador. b) Verifique as configurações do driver de vídeo ou equivalente. Na área de trabalho, clique com o botão direito do mouse. Escolha “Configurações gráficas” e procure pela configuração de performance. Escolha a opção de máximo desempenho. Obs.: Os atalhos e procedimentos podem variar de acordo com o driver de vídeo instalado na máquina. c) Feche outros aplicativos e abas que podem sobrecarregar o seu computador. d) Verifique o uso do disco no Gerenciador de Tarefas (Ctrl + Shift + Esc) -> “Detalhes”. Se estiver em 100%, feche outros aplicativos ou reinicie o computador. 4 ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA 2) O laboratório apresentou tela preta, como proceder? a) No Google Chrome, clique em “Configurações” -> “Avançado” -> “Sistema” -> “Utilizar aceleração de hardware sempre que estiver disponível”. Habilite a opção e reinicie o navegador. Caso persista, desative a opção e tente novamente. b) Verifique as configuraçõesdo driver de vídeo ou equivalente. Na área de trabalho, clique com o botão direito do mouse. Escolha “Configurações gráficas” e procure pela configuração de performance. Escolha a opção de máximo desempenho. Obs.: Os atalhos e procedimentos podem variar de acordo com o driver de vídeo instalado na máquina. c) Verifique se o navegador está atualizado. 5 ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA DESCRIÇÃO DO LABORATÓRIO MATERIAIS NECESSÁRIOS • Isqueiro; • Imã metálico esférico; • Suporte com queimador à álcool; • Suporte para recipiente de vidro; • Conjunto de recipiente de vidro com esferas com seringa. PROCEDIMENTOS 1. SEGURANÇA DO EXPERIMENTO Coloque os equipamentos de proteção individual localizados no “Armário de EPIs”. 2. UTILIZANDO O PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA Conecte o imã à base da seringa. Ponha o conjunto do recipiente de vidro com a seringa no suporte. Com o auxílio do isqueiro, acenda o pavio do queimador a álcool e, em seguida, desloque o suporte com o queimador para uma posição de contato com o suporte com o conjunto de vidro. Observe o movimento do protótipo de máquina térmica. Posteriormente, afaste o suporte com o queimador e apague a sua chama. 6 ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA 3. AVALIANDO OS RESULTADOS Siga para a seção “Avaliação dos Resultados”, neste roteiro, e responda de acordo com o que foi observado nos experimentos. 7 ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS 1. Como funciona uma máquina térmica? 2. Qual a função de cada componente do protótipo no movimento do conjunto? 8 ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA TUTORIAL VIRTUALAB 1. SEGURANÇA DO EXPERIMENTO Visualize o armário de EPIs clicando com o botão esquerdo do mouse na câmera “Armário de EPIs” do menu “Visualização” ou utilizando o atalho “Alt+2”. 9 ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA Abra o armário clicando com o botão esquerdo do mouse em cada uma de suas portas. Coloque o jaleco, as luvas e os óculos clicando com o botão esquerdo do mouse em cada um desses itens. 10 ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA Visualize a bancada clicando com o botão esquerdo do mouse na câmera “Visão Geral” do menu “Visualização” ou utilizando o atalho “Alt+1”. 11 ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA 2. UTILIZANDO O PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA Visualize as opções do imã metálico clicando com o botão direito do mouse sobre ele. Conecte o imã à seringa clicando com o botão esquerdo do mouse em “Conectar imã na base da seringa”. 12 ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA Visualize as opções do conjunto do recipiente de vidro com a seringa clicando com o botão direito do mouse sobre ele. Posicione o conjunto no suporte clicando com o botão esquerdo do mouse em “Posicionar no suporte”. 13 ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA Veja as opções do isqueiro clicando com o botão direito do mouse sobre ele. Acendo o pavio do queimador clicando com o botão esquerdo do mouse em “Acender isqueiro”. 14 ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA Visualize as opções do suporte com o queimador clicando com o botão direito do mouse nele. Desloque o suporte clicando com o botão esquerdo do mouse em “Deslocar suporte”. Observe o movimento. 15 ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA Afaste o suporte clicando com botão direito do mouse nele e, posteriormente, selecionando a “Afastar suporte” com o botão esquerdo do mouse. Apague a chama do queimador clicando com o botão direito do mouse no suporte e selecionando a opção “Apagar chama no acendedor” com o botão esquerdo do mouse. 16 ALGETEC – SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS EM EDUCAÇÃO CEP: 40260-215 Fone: 71 3272-3504 E-mail: contato@algetec.com.br | Site: www.algetec.com.br LABORATÓRIO DE TERMODINÂMICA II PROTÓTIPO DE MÁQUINA TÉRMICA 3. AVALIANDO O RESULTADO Siga para a seção “Avaliação dos Resultados”, neste roteiro, e responda de acordo com o que foi observado nos experimentos. Pré Teste 1) O ciclo de Carnot faz parte de um ciclo particular de transformações termodinâmicas de um gás ideal para máquina térmica e está ilustrado na figura a seguir, que mostra o diagrama p–V. Pode-se afirmar que: A) o ciclo se refere a um processo isotérmico, um isobárico, um adiabático e um isocórico. B) o ciclo se refere a dois processos isobáricos e dois isocóricos. C) o ciclo se refere a dois processos isotérmicos e dois adiabáticos. 2) A partir dos estudos da termodinâmica envolvendo um dos processos reversíveis, sabemos que, quando ocorre a expansão adiabática de um gás ideal, é porque: A) há um grande aumento no volume do gás sob pressão constante. B) há uma redução na energia interna do gás. C) há um grande aumento na pressão do gás e uma diminuição de seu volume, sem que haja trocas de calor. 3) As leis dos gases ideais devem ser entendidas como leis limite, pois os gases reais não as obedecem exatamente para qualquer valor de pressão e temperatura. Elas são válidas para gases submetidos a baixas pressões, para gases contidos em um grande volume e/ou para gases mantidos a altas temperaturas. (Texto adaptado de MAGALHAES, W. F., FERNANDES, N. G., FERREIRA, A. C., Físico-química I, Termodinâmica do Equilíbrio. Minas Gerais: UFMG/Dep. De Química, pag. 6, 2009). Com base no enunciado acima, podemos dizer que um gás ideal recebe calor e fornece trabalho após quais transformações? A) Adiabática e isobárica. B) Isométrica e isotérmica. C) Isobárica e isotérmica. 4) A base de funcionamento da máquina térmica é a conversão de calor em trabalho mecânico. A partir desse entendimento, podemos afirmar: A) O trabalho realizado em máquinas será a soma do calor fornecido pela fonte fria com o calor absorvido pelafonte quente. B) Carnot descobriu que as máquinas térmicas eram mais eficientes quando havia transferência de calor da temperatura mais alta para a temperatura mais baixa. C) O trabalho não depende da transferência de energia térmica; destaca-se que é possível transformar todo o calor em trabalho. 5) O processo isotérmico faz parte dos postulados da termodinâmica reversível, e, nele, a temperatura permanece constante. Em um gás, há situações em que uma mudança no sistema não produz variações de temperatura, mas de características físicas. A partir desse entendimento, pode-se dizer que: A) a temperatura da água permanece constante quando ocorre a mudança de fase de líquido para gás; logo, trata-se de um processo isotérmico. B) a máquina de Carnot está sujeita aos processos isotérmicos, sendo que, ao passar pelo estágio isotérmico, há variação do gás, fazendo com que o trabalho seja inútil. C) para proporcionar um aumento na pressão de uma determinada amostra gasosa em uma transformação isotérmica, é necessário aumentar o seu volume. Experimento Acesse o laboratório: * Este laboratório também está disponível para dispositivos Android. Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino! Pós Teste 1) A transformação cíclica de um gás ideal acontece devido a uma sequência de transformações distintas, porém os valores de pressão, volume e temperatura ao final do processo são idênticos aos do início do processo. Isso quer dizer que, ao final da transformação, o gás se encontra no mesmo estado termodinâmico do início do processo. De acordo com as leis da termodinâmica, em um ciclo completo de uma máquina térmica: A) a variação de temperatura é negativa. B) a variação de temperatura é positiva. C) a variação de energia interna é nula, pois a máquina volta a operar com a temperatura inicial. 2) A segunda lei da termodinâmica, que diz respeito à transferência de energia térmica, ou seja, à conversão de calor em trabalho útil, pode ser expressa em diversas formas diferentes. Assinale a alternativa correta: A) a termodinâmica nos diz que toda máquina térmica é capaz de transformar em trabalho todo o calor que recebe. B) é possível que uma máquina, sem a ajuda de um agente externo, consiga conduzir calor de um sistema para outro que esteja a uma temperatura maior. C) o trabalho útil gerado por uma máquina térmica é equivalente à quantidade de calor recebida menos a quantidade de calor rejeitada. 3) Os motores de combustão interna são exemplos de máquinas térmicas, e seu funcionamento é permitido pelo calor absorvido que é produzido a partir da queima de uma mistura de combustível e ar, que é periodicamente injetada no interior de seus cilindros. Desse modo, como podemos compreender em termos físicos o comportamento da máquina térmica? A) As máquinas térmicas rejeitam o calor que não foi usado para um reservatório chamado fonte quente. B) As máquinas térmicas operam em um ciclo. C) As máquinas térmicas rejeitam o calor de uma fonte de alta temperatura. 4) Para evitar o superaquecimento em um motor, utiliza-se uma substância para absorver boa parte desse calor. Na maioria das vezes, usa-se água, que fica armazenada em um recipiente chamado de radiador. A água tem a função de resfriar o motor, absorvendo o calor que sobra das transformações. Sobre esse contexto, assinale a alternativa correta: A) nesse sistema, não há como ter indícios de ciclos termodinâmicos; logo, não é possível afirmar que se trata de uma máquina térmica. B) foram descritas características de um modelo de máquina térmica, pois ela está operando entre duas fontes, sendo ambas frias. C) esse dispositivo tem características verídicas de uma máquina térmica, pois transforma calor em trabalho. 5) A eficiência térmica é um dos fatores que ainda hoje geram muita discussão. É por esse motivo que alguns engenheiros estão constantemente tentando melhorar a eficiência dos dispositivos, pois mais eficiência significa menos consumo de combustíveis. De acordo com o texto acima, e com base no funcionamento de uma máquina térmica real, pode-se afirmar que: A) a máquina térmica real pode atingir rendimentos superiores aos das máquinas de Carnot. B) a máquina térmica real não poderá ter um rendimento superior ao rendimento de uma máquina de Carnot. C) a máquina térmica real tem rendimento igual a 100%. Atividade Responda as questões da seção “Avaliação dos Resultados” do “Roteiro” e anexe aqui o seu relatório.