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Termodinâmica Primeira Lista de Exercícios 21 de outubro de 2013 1. Uma câmara isolada é dividida em duas meta- des. A metade da esquerda contém um gás ideal à temperatura T0 e a metade da direita é eva- cuada. Um pequeno furo é aberto entre as duas metades, permitindo que o gás flua e o sistema entra em equilíbrio. Nenhum calor é trocado com as paredes. Determine a temperatura final do sistema. 2. Um mol de um gás ideal monatômico, inicial- mente à temperatura T0, se expande deV0 para 2V0, (a) a uma temperatura constante, (b) a uma pressão constante. Calcule o trabalho rea- lizado para a expansão e o calor absorvido pelo gás em cada caso. 3. Para um gás diatômico ideal próximo da tem- peratura ambiente, que fração do calor está dis- ponível para trabalho externo, se o gás é expan- dido a uma pressão constante? E à temperatura constante? 4. Um compressor de ar é utilizado para compri- mir, em vez de ar, hélio. Verificou-se que o compressor superaquece. Explique este efeito, supondo que a compressão é aproximadamente adiabática e a pressão de partida é a mesma para ambos os gases. 5. Calcule a temperatura após a compressão adi- abática de um gás a 10,0 atmosferas de pressão a partir de condições iniciais de uma atmosfera e 300K (a) para o ar, (b) para o hélio (admite-se que os gases são ideais). 6. 10 litros de gás à pressão atmosférica, são com- primidos isotermicamente a um volume de 1 li- tro e depois permite-se a expansão adiabatica reversível a 10 litros. (a) Desenhe os processos em um diagrama pV para um gás monoatômico. (b) Faça um esboço semelhante para um gás diatômico. (c) O trabalho é realizado sobre ou pelo sis- tema? (d) O trabalho é maior ou menor para o gás diatômico? 7. Uma turbina a vapor é operada a uma tempera- tura de admissão de 400◦C, e uma temperatura de exaustão de 150◦C. Qual é a quantidade má- xima de trabalho que a turbina pode fazer para uma determinada entrada de calor Q? Em que condições é o máximo alcançado? 8. Sobre o ciclo de Carnot, (a) Ilustre o ciclo num diagrama pV e num diagrama ST . (b) Em que parte do processo trabalho é for- necido e onde é extraído? 1 (c) Se a máquina térmica acima tem Tq = 450K e opera em temperatura ambiente, calcule sua eficiência. 9. Um condicionador de ar operando em um ciclo de Carnot reversível entre as temperaturas T2 (interior) e T2 (exterior), com T1 > T2, consome P J/s quando operando continuamente. (a) Em um segundo, o condicionador de ar ab- sorve Q2 joules da casa e expele Q1 joules para o ar livre. Desenvolva uma fórmula para a eficiência Q2/P em termos de T1 e T2. (b) O vazamento de calor para dentro da casa segue a lei de Newton Q = A(T1−T2). De- senvolva uma fórmula para T2 em termos de T1, P e A para a operação contínua do condicionador de ar em condições de tem- peratura exterior constante T1 e tempera- tura do interior T2 uniforme (no espaço). (c) O aparelho é controlado por um termos- tato tipo liga-desliga e observa-se que, quando o termostato é regulado para 20◦C e a temperatura exterior é de 30◦C, o com- pressor fica ligado 30% do tempo. Encon- tre a temperatura mais elevada do lado de fora, em ° C, para a qual se possa manter a temperatura do interior em 20◦C. (d) No inverno, o ciclo é invertido e o dispo- sitivo torna-se uma bomba de calor que absorve o calor do exterior e disponibiliza calor para a casa. Encontre a temperatura mais baixa do lado de fora, em ◦ C, para a qual se possa manter 20◦C no interior. 10. Um kg de H2O a 0 ◦ C é posto em contato com um reservatório de calor a 100◦C. Quando a água atinge 100◦C, (a) Qual é a variação de entropia da água? (b) Qual é a variação de entropia do universo? (c) Como você pode aquecer a água a 100 ° C de modo que a variação de entropia do universo seja zero? 2
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