LISTA DE EXERC CIO M QUINAS T RMICAS2017 2.docx

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FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA 
Professora: Josedite Saraiva 
LISTA DE EXERCÍCIOS II UNIDADE 
 
MÁQUINAS TÉRMICAS / GÁS IDEAL 
 
 
 
 
1- Há muitos anos o homem tem desenvolvido 
e aperfeiçoado processos para conversão entre calor 
e trabalho. Entre os mais destacados exemplos, 
podem ser citadas as máquinas a vapor e as 
máquinas frigoríficas, com as quais foi possível 
desenvolver motores a vapor, usinas termelétricas e 
refrigeradores. Acerca de calor e trabalho, assinale a 
opção correta: 
 
a) Em uma máquina frigorífica, transfere-
se calor de uma fonte fria para uma 
fonte quente, o que viola o primeiro 
princípio da termodinâmica. 
b) Em uma máquina frigorífica, o calor é 
retirado de uma fonte fria utilizando-se 
um fluido com baixo ponto de ebulição. 
c) A troca de calor por radiação entre uma 
superfície aquecida em contato com um 
fluido resfriado ocorre por meio do 
transporte de energia entre moléculas 
adjacentes. 
d) O trabalho de expansão e o calor são as 
únicas formas possíveis de fazer a 
energia interna de um sistema variar. 
e) Uma máquina térmica é um dispositivo 
que permite conversão contínua de 
trabalho em calor, em transformações 
cíclicas e sucessivas. 
 
2- Uma máquina térmica opera entre 
reservatórios a 400 K e 300 K, extraindo 200 J de 
calor do reservatório quente, em cada ciclo. O maior 
rendimento possível desta máquina, e o trabalho 
que ela pode executar em cada ciclo são 
respectivamente. 
(eficiência) 1 , (coef.eficiência) 
f f
R
q
T Q
T W
   
 
 
3- Em 1824 um jovem engenheiro francês 
chamado Sadi Carnot concebeu uma máquina 
térmica ideal, cujo rendimento era calculado por: 
1- (Tf / Tq)= (Tf / Tq)/ Tq 
1
f q f
q q
T T T
T T


  
 
em que  é o rendimento de Carnot (grandeza 
adimensional); Tf é a temperatura do depósito do 
calor não aproveitado (fonte fria), em kelvin, K; e Tq 
é a temperatura da fonte de calor (fonte quente), em 
K. Com base no conceito de máquina térmica ideal, 
assinale a opção correta. 
a) É impossível obter-se um rendimento de 
100% para uma máquina térmica, visto que 
não se pode atingir o zero absoluto de 
temperaturas. 
b) A temperatura média dos possíveis 
depósitos de calor, embora seja 
aproximadamente 27 ºC, não impõe 
limitação fundamental ao rendimento de 
Carnot. 
c) É possível obter-se um rendimento de 100% 
para uma máquina térmica, visto que se 
pode atingir o zero absoluto de 
temperaturas. 
d) A diminuição do rendimento, ao aumentar 
Tf, explica porque um avião tem menor 
 
 
 
 
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dificuldade para alçar vôo em um dia 
especialmente quente. 
e) Em virtude da Segunda Lei da 
Termodinâmica, é evitável que se perca 
algo de calor em toda máquina térmica. 
 
Uma máquina térmica opera segundo o ciclo de 
Carnot entre as temperaturas de 500K e 300K, 
recebendo 2 000J de calor da fonte quente. O calor 
rejeitado para a fonte fria e o trabalho realizado 
pela máquina, em joules, são, respectivamente: 
 
Uma máquina térmica recebe 800 J de calor de uma 
fonte quente, em uma temperatura de 400 K, e 
rejeita 300 J para uma fonte fria. Calcule a 
temperatura da fonte fria e o trabalho realizado 
pela máquina. 
 
Para determinada aplicação, é necessária a utilização 
de um motor com potência útil de 5 kW. Para isso 
duas alternativas de motor foram propostas, com o 
motor 1, que consome 10 000 J/s de taxa de calor e 
trabalha com T1=300 K e T2 =1 200 K ou com o motor 
II, que consome 8 000 J/s de taxa de calor e trabalha 
com T1= 300 K e T2= 900 K. Denotando por T1, T2, W, 
e Q respectivamente, a temperatura da fonte fria, a 
temperatura da fonte quente, a potência 
desenvolvida e a taxa de calor fornecida, e 
considerando que a máxima eficiência teórica que a 
uma máquina térmica pode desenvolver 
corresponde à do ciclo de Carnot, faça o que se pede 
nos itens a seguir, sabendo que: 
1 
frio
Carnot Máquina
quente quente
T W
T Q
   
 
a) As duas máquinas são teoricamente viáveis? 
Justifique a resposta. 
b) Considerando que os custos das máquinas 
sejam idênticos, indique qual das duas deve 
ser escolhida e justifique a resposta. 
 
Determinada máquina térmica foi projetada para 
operar realizando o ciclo de Carnot. Quando em 
operação, o trabalho útil fornecido pela máquina, a 
cada ciclo, é de 3200J. As temperaturas das fontes 
térmicas são 427°C e 77°C, respectivamente. Adote 
4J = 1cal. Nestas condições, a quantidade de calor 
retirada da fonte quente, a quantidade de calor 
rejeitada para a fonte fria e o rendimento da 
máquina térmica são, respectivamente, iguais a: 
 
(A) 3900J, 700J, 82% (B) 6400J, 3200J, 50% 
(C) 3200J, 6400J, 50% (D) 700J, 3900J, 82% (E) 
1600J, 3200J, 50% 
 
 
 
Aumentar a eficiência na queima de combustível dos 
motores a combustão e reduzir suas emissões de 
poluentes é 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. 
 
 
 
 
 
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b) um dos princípios da termodinâmica, segundo o 
qual o rendimento de uma máquina térmica nunca 
atinge o ideal. 
 
c) o funcionamento cíclico de todos 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. 
 
 
 
 
A biomassa é uma das principais fontes de energia 
renovável e, portanto, máquinas que a utilizam 
como combustível para geração de energia são 
importantes do ponto de vista ambiental. Um 
exemplo bastante comum é o uso da biomassa com 
o objetivo de acionar uma turbina a vapor para gerar 
trabalho. A figura ao lado mostra, 
esquematicamente, uma usina termoelétrica 
simplificada. 
 
 
 
Nessa termoelétrica, a queima da biomassa na 
fornalha produz calor, que aquece a água da 
caldeira e gera vapor a alta pressão. O vapor, por 
sua vez, é conduzido por tubulações até a turbina 
que, sob a ação deste, passa a girar suas pás. 
Considere desprezíveis as perdas de calor devido às 
diferenças de temperatura entre as partes dessa 
máquina térmica e o ambiente. Nesse contexto, a 
variação da energia interna da água da caldeira: 
A) é maior que a soma do calor a ela fornecido pela 
queima da biomassa com o trabalho realizado sobre 
a turbina. 
B) é igual à soma do calor a ela fornecido pela 
queima da biomassa com o trabalho realizado sobre 
a turbina. 
C) é igual à diferença entre o calor a ela fornecido 
pela queima da biomassa e o trabalho realizado 
sobre a turbina. 
D) é maior que a diferença entre calor a ela 
fornecido pela queima da biomassa e o trabalho 
realizado sobre a turbina.1. Que são Máquinas Térmicas? 
 
A segunda lei da termodinâmica pode ser usada para 
avaliar propostas de construção de equipamentos e 
verificar se o projeto é factível, ou seja, se é possível 
de ser construído. Considere a situação em que um 
inventor alega ter desenvolvido um equipamento 
que trabalha segundo o ciclo termodinâmico de 
potência mostrado na figura. O equipamento retira 
800 kJ de energia, na forma de calor, de um dado 
local que se encontra na temperatura de 1 000 K, 
desenvolve uma dada quantidade líquida de 
trabalho para a elevação de um peso e descarta 300 
kJ de energia, na forma de calor, para outro local que 
se encontra a 500 K de temperatura. A efi ciência 
térmica do ciclo é dada pela equação fornecida. 
 
 
 
 
 
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Nessa situação, a alegação do inventor é: 
A correta, pois a eficiência de seu equipamento é de 
50% e é menor que a eficiência teórica máxima. 
B incorreta, pois a eficiência de seu equipamento é 
de 50% e é maior do que a eficiência teórica máxima. 
C correta, pois a eficiência de seu equipamento é de 
62,5% e é menor do que a eficiência teórica máxima. 
D incorreta, pois a eficiência de seu equipamento é 
de 62,5% e é maior do que a eficiência teórica 
máxima. 
E incorreta, pois a eficiência de seu equipamento é 
de 62,5% e é menor do que a eficiência teórica 
máxima. 
 
 
 A máquina de Carnot é considerada ideal porque 
tem o maior rendimento entre as máquinas 
térmicas. O ciclo termodinâmico dessa máquina, 
representado em um diagrama p x V, consiste das 
seguintes transformações: 
 
(a→ 
b) 
expansão isotérmica – o sistema transforma 
o calor recebido da fonte quente 
à temperatura T1 em trabalho; 
(b → 
c) 
expansão adiabática – o sistema realiza 
trabalho e sua temperatura diminui de T1 para 
T2; 
(c → 
d) 
compressão isotérmica – o trabalho realizado 
sobre o sistema é convertido em calor, que é 
transferido para a fonte fria à temperatura T2; 
(d → 
a) 
compressão adiabática – o trabalho realizado 
sobre o sistema produz um aumento 
de temperatura de T2 para T1. 
 
Assinale a alternativa correta. 
a) Como o ciclo é percorrido no sentido horário 
do diagrama p x V, o sistema cede mais calor 
ao meio externo do que recebe. 
b) A área interna do ciclo no diagrama p x V é 
numericamente igual ao trabalho realizado 
pelo sistema. 
c) Durante cada transformação adiabática o 
sistema troca calor com o meio externo. 
d) A cada ciclo a energia interna do sistema 
aumenta, na mesma quantidade do trabalho 
realizado. 
e) Durante cada transformação isotérmica a 
temperatura do sistema varia. 
 
 
A partir das máquinas a vapor e as máquinas 
frigoríficas (refrigeradores), foi possível desenvolver 
motores a vapor, usinas termelétricas e 
refrigeradores. Acerca de máquinas frigoríficas, 
 
 
 
 
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sabe-se que o calor é retirado de uma fonte fria 
utilizando-se um fluido com baixo ponto de ebulição. 
Baseado nessas informações faça o que se pede: 
a) Faça o balanço de energia especificando o 
calor que é retirado do interior do 
refrigerador, QL. Lembre-se que a energia 
segundo a 1ª Lei da Termodinâmica é 
conservada- (entra= sai) 
b) Determine a quantidade de calor retirada do 
interior do refrigerador QL 
 
 
 
 
 
 
Certa máquina térmica, que funciona 
realizando o ciclo de Carnot, opera entre duas 
fontes de calor a 400 K e 300 K. Suponha que, 
em cada ciclo, o motor receba 2,4 x 103 J da 
fonte quente. Por ciclo, determine o calor 
rejeitado à fonte fria, em joules. 
 
 
 
 
1. Uma máquina térmica bombeia água 
de uma mina subterrânea recebe 700 kJ de 
calor e produz 250 kJ de trabalho. Qual é a 
quantidade de calor rejeitada, em kJ? 
 
700 250 450
entra saiE E
qe qs W qs qe W qs kJ kJ kJ

        
 
 
 
Uma máquina térmica com uma eficiência de 
40% rejeita 1000 kJ. Qual é a quantidade de 
calor que a máquina recebe? 
 
1000 /
1666,7 /
1 0,4 1
liq liqW W qe qs qs kJ kg
qe qe qe qs qe kJ kg
qe qe qe
                 
 
 
 
Uma máquina térmica opera entre 
reservatórios a 400 K e 300 K, extraindo 200 J 
de calor do reservatório quente, em cada ciclo. 
O maior rendimento possível desta máquina, e 
o trabalho que ela pode executar em cada ciclo 
são respectivamente. 
 50% e 50 J 
 0,22% e 25 J 
 0,22% e 50 J 
 25% e 50 J 
 25% e 25 J 
 
 
 
2. Quando uma máquina recebe calor e 
transforma parte deste calor em trabalho útil, 
dizemos que essa máquina é: 
a) Reator 
b) Motor 
c) caldeira 
d) Pode ser motor ou refrigerador 
e) Refrigerador 
 
 
 
 
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3. Para determinada aplicação, é 
necessária a utilização de um motor com 
potência útil de 5 kW. Para isso duas 
alternativas de motor foram propostas, com o 
motor 1, que consome 10 000 J/s de taxa de 
calor e trabalha com T1=300 K e T2 =1 200 K 
ou com o motor II, que consome 8 000 J/s de 
taxa de calor e trabalha com T1= 300 K e T2= 
900 K. Denotando por T1, T2, W, e Q 
respectivamente, a temperatura da fonte fria, a 
temperatura da fonte quente, a potência 
desenvolvida e a taxa de calor fornecida, e 
considerando que a máxima eficiência teórica 
que a uma máquina térmica pode desenvolver 
corresponde à do ciclo de Carnot, faça o que 
se pede nos itens a seguir, sabendo que: 
1 
frio
Carnot Máquina
quente quente
T W
T Q
   
 
c) As duas máquinas são teoricamente 
viáveis? Justifique a resposta. 
Considerando que os custos das máquinas 
sejam idênticos, indique qual das duas deve 
ser escolhida e justifique a resposta. 
 
Em relação aos ciclos de potência, considere 
as seguintes afirmativas: 
1. A Máquina de Carnot opera 
reversivelmente, e em um diagrama TS 
é representada por duas etapas 
isotérmicas e duas isentrópicas. 
2. O ciclo de Carnot é constituído por 
duas etapas isotérmicas conectadas 
por duas etapas adiabáticas. 
3. O ciclo de Rankine em uma planta 
de potência a vapor d’água é composto 
por uma etapa (isobárica) de 
aquecimento até obtenção de vapor 
com um certo grau de 
superaquecimento, por uma etapa de 
expansão adiabática, por uma etapa de 
condensação até liquido saturado e 
finalmente por uma etapa de 
bombeamento adiabático até a pressão 
da caldeira. 
4. Um dos problemas do ciclo de 
Carnot está na dificuldade de se 
bombear uma mistura de líquido e 
vapor saturado. 
5. As plantas de potência reais 
desviam-se do ciclo de Rankine nas 
etapas de produção e utilização de 
trabalho. 
Assinale a alternativa correta. 
a) Somente as afirmativas 1, 3 e 5 
são verdadeiras. 
b) Somente as afirmativas 1 e 2 são 
verdadeiras. 
c) Somente as afirmativas 3 e 4 são 
verdadeiras. 
d) Somente a afirmativa 5 é 
verdadeira. 
e) As afirmativas 1, 2, 3, 4 e 5 são 
verdadeiras. 
 
 
O motor a gasolina de um caminhão grande consome 
10.000J de calor e realiza 2000J de trabalho 
mecânico em cada ciclo. O calor é obtido pela 
combustão da gasolina. Sabendo que a eficiência de 
uma máquina térmica é a relação entre o trabalho 
produzido pela máquina a partir da fonte de calor a 
ela cedida, a eficiência dessa máquina é: 
A eficiência dessa máquina é máxima de 100% 
 
 
 
 
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O trabalho esta relacionado apenas a energiamecânica fornecida para as rodas, dessa forma a 
eficiência é de 20% 
A eficiência é de 50 % por ciclo 
A eficiência é extremamente baixa apenas 1% 
A eficiência dessa máquina é a mesma da máquina 
ideal de Carnot e portanto de 70% 
 
4- Há muitos anos o homem tem desenvolvido 
e aperfeiçoado processos para conversão entre calor 
e trabalho. Entre os mais destacados exemplos, 
podem ser citadas as máquinas a vapor e as 
máquinas frigoríficas, com as quais foi possível 
desenvolver motores a vapor, usinas termelétricas e 
refrigeradores. Acerca de calor e trabalho, assinale a 
opção correta: 
a) Em uma máquina frigorífica, transfere-
se calor de uma fonte fria para uma 
fonte quente, o que viola o primeiro 
princípio da termodinâmica. 
b) Em uma máquina frigorífica, o calor é 
retirado de uma fonte fria utilizando-se 
um fluido com baixo ponto de ebulição. 
c) A troca de calor por radiação entre uma 
superfície aquecida em contato com um 
fluido resfriado ocorre por meio do 
transporte de energia entre moléculas 
adjacentes. 
d) O trabalho de expansão e o calor são as 
únicas formas possíveis de fazer a 
energia interna de um sistema variar. 
e) Uma máquina térmica é um dispositivo 
que permite conversão contínua de 
trabalho em calor, em transformações 
cíclicas e sucessivas. 
 
5- Uma máquina térmica opera entre 
reservatórios a 400 K e 300 K, extraindo 200 J de 
calor do reservatório quente, em cada ciclo. O maior 
rendimento possível desta máquina, e o trabalho 
que ela pode executar em cada ciclo são 
respectivamente. 
1 
frio
Carnot Máquina
quente quente
T W
T Q
   
 
 
a) 25% e 25 J 
b) 0,22% e 25 J 
c) 25% e 50 J 
d) 0,22% e 50 J 
e) 50% e 50 J 
 
6- Em 1824 um jovem engenheiro francês 
chamado Sadi Carnot concebeu uma máquina 
térmica ideal, cujo rendimento era calculado por: 
1- (Tf / Tq)= (Tf / Tq)/ Tq 
1
f q f
q q
T T T
T T


  
 
em que  é o rendimento de Carnot (grandeza 
adimensional); Tf é a temperatura do depósito do 
calor não aproveitado (fonte fria), em kelvin, K; e Tq 
é a temperatura da fonte de calor (fonte quente), em 
K. Com base no conceito de máquina térmica ideal, 
assinale a opção correta. 
a) É impossível obter-se um rendimento 
de 100% para uma máquina térmica, 
visto que não se pode atingir o zero 
absoluto de temperaturas. 
b) A temperatura média dos possíveis 
depósitos de calor, embora seja 
aproximadamente 27 ºC, não impõe 
limitação fundamental ao rendimento 
de Carnot. 
c) É possível obter-se um rendimento de 
100% para uma máquina térmica, visto 
que se pode atingir o zero absoluto de 
temperaturas. 
d) A diminuição do rendimento, ao 
aumentar Tf, explica porque um avião 
tem menor dificuldade para alçar vôo 
em um dia especialmente quente. 
 
 
 
 
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e) Em virtude da Segunda Lei da 
Termodinâmica, é evitável que se perca 
algo de calor em toda máquina térmica. 
 
Uma máquina térmica opera segundo o ciclo de 
Carnot entre as temperaturas de 500K e 300K, 
recebendo 2 000J de calor da fonte quente. O calor 
rejeitado para a fonte fria e o trabalho realizado 
pela máquina, em joules, são, respectivamente: 
Calculando o calor da fonte quente: 
 
 
Uma máquina térmica cíclica recebe 5000 J de calor 
de uma fonte quente e realiza trabalho de 3500 J. 
Calcule o rendimento dessa máquina térmica. 
O rendimento é dado pela razão entre o trabalho 
realizado e o calor recebido: 
 
 
Uma máquina térmica recebe 800 J de calor de uma 
fonte quente, em uma temperatura de 400 K, e 
rejeita 300 J para uma fonte fria. Calcule a 
temperatura da fonte fria e o trabalho realizado 
pela máquina e a eficiência térmica da máquina. 
 
 
 
Para determinada aplicação, é necessária a utilização 
de um motor com potência útil de 5 kW. Para isso 
duas alternativas de motor foram propostas, com o 
motor 1, que consome 10 000 J/s de taxa de calor e 
trabalha com T1=300 K e T2 =1 200 K ou com o motor 
II, que consome 8 000 J/s de taxa de calor e trabalha 
com T1= 300 K e T2= 900 K. Denotando por T1, T2, W, 
e Q respectivamente, a temperatura da fonte fria, a 
temperatura da fonte quente, a potência 
desenvolvida e a taxa de calor fornecida, e 
considerando que a máxima eficiência teórica que a 
uma máquina térmica pode desenvolver 
corresponde à do ciclo de Carnot, faça o que se pede 
nos itens a seguir, sabendo que: 
1 
frio
Carnot Máquina
quente quente
T W
T Q
   
 
d) As duas máquinas são teoricamente viáveis? 
Justifique a resposta. 
e) Considerando que os custos das máquinas 
sejam idênticos, indique qual das duas deve 
ser escolhida e justifique a resposta. 
 
 
 
Pela Primeira Lei da Termodinâmica sabemos que a 
energia que entra é igual a energia que saí do sistema 
pois a energia total do sistema é conservada. 
Considere uma máquina a vapor representada pelo 
esquema seguinte: 
 
 
 
 
 
 
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 Onde: 
 Qq é a energia retirada do reservatório de 
maior temperatura (T2) a cada ciclo. 
 Qf é a energia cedida ao reservatório de 
menor temperatura (T1). 
 W é a energia associada ao trabalho da 
máquina sobre a vizinhança. 
Então, analise as afirmativas e assinale a alternativa 
correta: 
 
I. Pela primeira lei da Termodinâmica, em valores, 
Q1+Q2 = W. 
II. Se o esquema representa uma máquina de Carnot, 
o ciclo termodinâmico realizado pela substância de 
trabalho é formado por duas isotermas e duas 
adiabáticas. 
III. Como o reservatório de temperatura mais alta 
perde energia e o reservatório de temperatura mais 
baixa ganha energia, T2 diminui e T1 aumenta; por 
isso o rendimento diminui com o tempo. 
a) apenas I. 
b) apenas II. 
c) apenas III. 
d) apenas I e II. 
 
 
 
Bons Estudos e Boa Sorte, 
“As raízes dos estudos são amargas, 
Mas seus frutos são doces”. (Aristóteles)