SearsZemansky_Cap18

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18.4 Ummotoragasolinaproduzumapotênciaiguala 180kW.
Smíéficiênciaé iguala28%,a)Qualéaquantidadedecalor
fomecidaparaamáquinaporsegundo?b)Qualéocalorrejeitado
pelamáquinaporsegundo? '-- -- ---
~ Umfreezerpossuiumcoeficientedeperformanceiguala
2,40,a freezerdeveconverter1,80kgdeáguaa25,O°Cpara
1,80kgdegeloa-5,O°Cemumahora,a)Qualéaquantidadede
calorquedeveserremovidadaáguaa25,O°Cparaconvertê-Iaem
geloa-5,O°C?b)Qualéaenergiaelétricaconsumidapelofreezer
duranteumahora?c)Qualéaquantidadedecalordesperdiçado
rejeitadoparaasalanaqualofreezerestálocalizado?
--~ -----
,18.18'Uminventoralegaterdesenvolvidoumamáquinaqueem
cadacicloretira2.60x 108J decaloraumatemperaturade.+00K.
realizaumtrabalhomecânicode'+2.0kWherejeitacalorauma
temperaturade250K. Vocêinvestiriadinheiroparacomercializar
estamáquina?Justifiquesuaresposta.
*18.2,-""Calculea variaçãodeentropiaqueocorrequando
mistur~os 1,00kg deáguaa20,OOCcom2,00kgdeáguaa80,D"C.
*18.22/ Em umprocessoreversíveltrêsmolesdeumgásidealsão
comprimidosisotermicamentea 20,O°C.Duranteacompressão,
umtrabalhode 1850J é realizadosobreo gás.Qual é a variação
deentropia_~ogás? _ _ _ _ .:
@.~a telhadodeumacasasuburbanaéequipado~ompainéis
coletoressolarescomáreaiguala8,0m2eeficiênciade60%,
usadosparaaqueceráguade15,OOCaté55,OOCparausodas
necessidadesdomésticas.a)Seaenergiasolarmédiaincidentefor
iguala 150W/m2,qualéovolumedeáguaquepodeseraquecido
emumahora?b)Duranteumdiamédio,oconsumomédiopara
satisfazerasnecessidadesdomésticasécercade75L deágua
quentea55,OOCporpessoa.Quantaspessoasestesistemade
_aquecimentodeáguapodesatisfazer?_ _ _
G;.4?J;m gásmonoatômicoidealexecutaocicIodaFigura18.22
nosentidoindicadonafigura.A trajetóriadoprocessoc-a é uma
linharetanodiagramapV.a)CalculeQ,WetlUparacadaprocesso
a-b, b-c e c-a. b) Quais sãoos valoresde Q, We tlU para
umcicIocompleto?c)QualéaeficiênciadocicIo?
p
a
1,00 X 105 Pa c
o I 0,500m3
AGURA 18.22Problema18.44.
v
0,800m3
---
~ A potênciamáximaquepodeserex'traídadeumaturbi~'
deventoacionadaporumacorrentedearéaproximadamente
P _ kd2u3, .~
onded éodiâmetrodalâmina,uéavelocidadedoventoe I ~
k =0,5W . S3/mS.a)ExpliqueadependênciadeP comd ecom';
considerandoumcilindrodearpassandosobrealâminada '
turbinanoinstantet (Figura18.24).Estecilindropossuidiâm'
d,comprimentoL =vtedensidadep.b)A turbinadevento "1'
Mod-5BemKabaku,nailhaaabudoHavaí,possuiumalâmina
com97mdediâmetro(comparávelcomumcampodefutebol)e'
seencontranoaltodeumatorrede58m.Estaturbinapode
produzirumapotênciaelétricade3,2MW.Supondouma
eficiênciade25%,qualéavelocidadedoventonecessáriapara,
produzirestapotência?Dêarespostaemmlsekmlh.
c)As turbinasdeventocomerciaissãolocalizadasgeralmenten
passagensentremorrosounadireçãodoventodeummodogeral
Porquê? .
-;
L=iir -.
. .','. ~. ,r.r.r .
AGURA18.24Problema 18.47.'" "." ','
J ! J , :.". ~=" ;-.,"", ""'~ ' .tI'.8.48 Economiadecombustíveleperformancedeum, ,~'
au 0It.tóve1.a ',-?otordociclo<,?tto4eumauto~ó~elVolvov~o.!;_
pOSSUIumarazaodecompressaor =8,5.A AgencIadeProteça~"
AmbientaldosEstadosUnidosverificouqueoconsumodeste'~
carrocomumavelocidademaiseconômicaemumaestrada ">.li'
(105km/h)éiguala25milhasporgalão(I milha=1,609km; ( J
1galão=3,788litros).A gasolinapossuiumcalordecombustão"
iguala4,60x 10'J/kgesuadensidadeéiguala740kg/m3. ",
a)A 105km/hqualéataxadeconsumodegasolinaemLIh? "
b) Qualé aeficiênciateóricadestemotor?Use y= 1,40.c) Qualé'
a potênciaproduzidapelomotora 105kmIh?Suponhaqueo
motorestejaoperandocomsuaeficiênciateóricamáximae "
forneçasuarespostaemwatts.d)Po,rcausadoatritoedasperdas.-
decalor,aeficiênciarealédaordemde15%.Repitaaparte(c)
usandoestainformação.Qualéafraçãodapotênciamáxima
teóricapossívelqueéusadanaveloci4ademencionada?
~8.53...DiagramaTS. a)FaçaumgráficodocicIo deCamot,
iliiãrcãíídoaentropianoeixohorizontale a temperaturaKelvin no
:ixovertical.Trata-sedeumdiagramatemperatura-entropiaou
@,iagramaTS.b) Mostrequea áreaembaixodacurvaque .
;representaqualquerprocessoreversívelno diagramaTS
representao calorabsorvidopelosistema.c) Utilize o diagrama
f[Sparadeduzira eficiênciatérmicado ciclo deCamot.d)~
;11...J;~õ'~u~'Fe1"~-_ _:_1"~t;'LLbj~to>t.o-Rffl"leffia 18.15.
1:138'83t8eliaguHi1a1'1H'IlIclac;Ô.IMa cfi8iêfl8iasa BiBlajjjtiI:IiAg
"e61ftli eSeiêfleiade eieladeC8fftat.", . _~-""'--
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b) Para uma pressão constante, quando o volume cai para a metade a
temperatura Kelvin também cai para a metade, e a temperatura no começo
da expansão adiabática é igual a 150 K.
c) O volume dobra durante a expansão adiabática, e pela Eq. (17-22), a
temperatura no final expansão adiabática é dado por
 (150 K)(1/2)0.40 = 114 K.
d) A pressão mínima ocorre no final da expansão adiabática. Durante o
aquecimento o volume é mantido constante, portanto a pressão mínima é
proporcional à temperatura Kelvin,
pmin = (1.80 x 10
5 Pa)(113.7 K/300 K) = 6.82 x 104 Pa.
RESPOSTAS AOS EXERCÍCIOS
SEARS/ZEMANSKY: FÍSICA 10ª EDIÇÃO
CAPÍTULO 18
18-4: a) .1043.6
)280.0(
)00.1)(10180(1 5
3
Jx
sWx
Pt
e
Q ===
b) Q – Pt = 6.43 x 105 J – (180 x 103 W) (1.00 s) = 4.63 x 105 J.
18-12: a)
( )
.1009.8
)0.5)(/2100(/33410)80.1(
)(
5
3
Jx
KKkgJkgJkg
TcTcLmQ águaáguagelogelofC
=
⋅+=
Δ+Δ+=
b) .1037.3
40.2
1008.8 5
5
Jx
Jx
K
Q
W C ===
c) =+=+= JxJxQWQ CH
55 1008.81037.3 1.14 x 106 J (note que
).)
1
1(
K
QQ CH +=
18-18: A eficiência alegada da máquina é de %.58
1060.2
1051.1
8
8
=
Jx
Jx
 Contudo a
eficiência máxima da máquina térmica operando entre aquelas temperaturas é
dada por
%.38
400
250
1 =−=
K
K
ecarnot
Logo a máquina proposta viola a segunda lei.
18-22: Para uma expansão isotérmica, ΔT = 0, ΔU = 0 e Q = W. A variação de
entropia é dada por
./31.6
15.293
1850
KJ
K
J
T
Q
==
18-44: Para um gás ideal monoatômico,
CP = .
2
3
 e 
2
5
RCR V =
a) ab: A temperatura varia com o mesmo fator do volume, o calor é
.1025.2)300.0)(1000.3)(5.2()( 535 JxmPaxVVp
R
C
TnCQ baa
P
P ==−=Δ=
O trabalho realizado é dado por
 W = pΔV = 0.90 x 105 J.
ΔU = Q – W = 1.35 x 105 J.
bc: Agora a temperatura varia com o mesmo fator da pressão, o calor é
 Q = 
2
3
(pc – pb)Vb= (1.5)(-2.00 x 10
5 Pa)(0.800 m3) = -2.40 x 105 J,
e o trabalho realizado é zero (ΔV = 0). Logo
ΔU = Q – W = -2.40 x 105 J.
ca: O modo mais fácil de resolver é calcular primeiro o trabalho realizado; W
será a área com sinal negativo no plano p-V compreendida entre a linha que
representa o processo ca e as verticais traçadas a partir dos pontos a e c. A
área deste trapezóide é dada por
2
1
(3.00 x 105 Pa + 1.00 x 105 Pa)(0.800 m3 – 0.500 m3) = 6.00 x 104 J,
e portanto o trabalho realizado é –0.60 x 105 J. Logo ΔU deve ser
1.05 x 105 J (visto que ΔU = 0 para o ciclo, antecipando o item (b)), e
portanto
 Q = ΔU + W = 0.45 x 105 J.
b) Ver acima; Q = W = 0.30 x 105 J, logo ΔU= 0.
b) O calor é fornecido nas etapas ab e ca, logo o calor fornecido é
 2.25 x 105 J + 0.45 x 105 J = 2.70 x105 J
e a eficiência é dada por
 %.1.11111.0
1070.2
1030.0
5
5
===
x
x
Q
W
H
18-48: a) (105 km/h) ./89.9
1
788.3
609.1
1
25
1
hL
gal
L
km
mi
mi
gal
=

















b) Pela Eq. (18-6), e = 1 – r1-γ = 1 – (8.5)-0.40 = 0.575 = 57.5%.
c) 





hrs
hL
/3600
/89.9
(0.750 kg/L)(4.60 x 107 J/kg)(0.575) = 5.38 x 104 W.
d) Repetindo os cálculos obtemos 1.4 x 104 W, ou cerca de 26% da 
potência calculada no item (c).