Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)

Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)


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a1é que o volume seja triplicado. 
a. Qual é o volume do gás após a expansão? 
b. Qual é a 1emperarura final do gás (em ºC)? 
A seguir, a pressão do gás é reduzida, a volume constante, até 
que a temperatura original seja novamente alingida. 
c. Qual é a pressão do gás após esta redução? 
Fina lmente, o gás é comprimido isorermicamcnte até retornar ao 
volume inicial. 
d . Qual é a pressão iinal cio g<fa? 
e. Represente o processo completo, em três etapas, em um diagra-
ma pV. Use escalas adequadas para os dois eixos. 
Nos Problemas de 65 a 68 você receberá uma ou mais equações para 
usar na resolução de um problema. Para cada caso, você deve: 
a. Redigir um problema realista para o qual a (s) equação(ções) 
seja(m) adequada(s). 
b. Desenhar um diagrama p V. 
c. Solucionar o problema proposto. 
300cm3 65. p, = - -- X 1 X 2 atm 
- 100 cm3 
66 (,.,.. + 273) K = 200 kPa X l X (400 + 273) K 
\u2022 
12 500 kPa 
67 V = (400 + 273) K X 1 X 200cm3 
\u2022 
2 (50 + 273) K 
68. (2,0 X 101.300 Pa)( IOO X 10-6 m3) = n(8,31 J/mol K )Ti, 
li 
0,12 g 
n = 
20g/mol 
200cm3 72 = ---.XIX T1 lOOcm' 
Problemas desafiadores 
.._ 69. O pistão de chumbo de 50 kg mostrado 
na FIGURA PD16.69flutua em 0,12 mo! 
de ar comprimido. 
a. Qual será a altura li do pistão se a 
temperatura for de 30ºC'? 
b. Ao longo de que distância o pistão 
será deslocado se a temperatura 
aumentar em l OOºC'! 
FIGURA PD16.69 
70. Um sino de mergulho é um cilindro de 
l 
h 30ºC 
!Ocm 
r 
3.0 m de altura fechado na extremidade superior e aberto na extre-
midade inferior. A temperatura do ar dentro do sino é de 20ºC. Ele é 
mergulhado no oceano até que sua extremidade inferior fique a 100 
m de profundidade. A essa profundidade, a temperatura da água é 
de IOºC. 
a. A que altura a água subirá dentro do sino após ter transcorrido 
tempo suficiente para que o ar interno atinja o equilíbrio 
térmico? 
b. Uma mangueira de ar comprimido será utilizada para expelir 
toda a água do s ino. Qual é o mínimo valor de pressão do ar a ser 
usado para isso? 
r,;: O cano de 3,0 m de comprimen10 da FIGURA PD16.71 é fecha-
._ do na extremidade superior. Ele é len1amente empurrado para 
baixo na água até que sua extremidade superior fique no nível 
da superfície da água. Qual é o comprimento l., do volume de ar 
aprisionado? 
3,0m A ntes 
L 
FIGURA PD16.71 
\u2022 72. O cilindro da FIGURA PD16.n dispõc de um pistão móvel acoplad? 
a uma mola. A área da secção transversal do cilindro é de 10 cm-, 
ele contém 0,0040 mol de um gás 
e a constante elástica da mola é 
de 1500 N/m. A 20ºC, a mola não 
está nem comprimida nem estica-
da. E m quanto a mola será com-
primida se a temperatura do gás 
aumentar para lOOºC? FIGURA PD16.n 
- --
rr 
1 
) 
\ 
, . 
CAP1TULO 16 \u2022 Uma Descrição Macroscópica da Matéria 505 
.,, 73. Os recipientes A e B da FIGURA PD16.7lcontêm os mesmos gases. 
O volume de B é quatro vezes maior do que o de A. Os dois reci-
pientes estão conectados por um tubo fino (de volume desprezível) 
e por uma válvula, que está fechada. O gás em A está a 300 K e à 
pressão de 1,0 X 105 Pa. O gás em B está a 400 K e à pressão de 5,0 
X 105 Pa. Aquecedores manterão inalteradas as temperaturas de A e 
de B mesmo após a válvula ter sido aberta. 
a. Depois que a válvula for aberta, o gás fluirá para um lado ou para 
outro até que A e B fiquem com a mesma pressão. Quanto vale 
essa pressão final? 
b. Este processo é reversível ou irreversível? Explique. 
FIGURA PD16.73 
--.. 
I~ K .*==&quot;i&quot;'-=~ 
Válwla 
B 
4-00K 
74. O cilindro fechado da FIGURA PD16.74possui um pistão de encaixe 
bem apertado, porém desprovido de atrito, de massa M. O pistão 
encontra-se em equihôrio quando a pressão na câmara da esquerda 
for p0 e seu comprimenro for L,i, com a mola à direita comprimida 
em/1L. ' 
a. Expresse /1L em função de p0, f..o, A, Me k. 
b. Suponha que 'o pistão seja deslocado para a direita cm uma pe-
quena distância x. Obtenha uma expressão para a força resultante 
(Fx)..,, exercida sobre o pistão. Considere que todos os movimen-
tos sejam realizados com suficiente lentidão de modo que o gá~ 
permaneça à mesma temperatura que sua vizinhança. 
e. Quando liberado, o pistão oscilará em torno de urna posição de 
equilíbrio. Considerando que x << Lg, obtenha uma expressão 
para o período de oscilação T. 
Dica: Use a aproximação binomial. 
~a.;;sa 1\1. 
Área A [[ ::&quot;ljM 
FIGURA PD16.74 Comprimida em ÀL 
[RESPOSTAS DAS QUmÕES DO T1PO PARE E PENSE j 
Pare e Pense 16.1: d. A pressão diminui cm 20 kPa. 
Pare e Pense 16.2: a. O número de átomos depende apenas do número 
de mols, e não, da substância. 
Pare e Pense 16.3: a. As divisões da escala Kelvin são de mesmo ta-
manho que as da escala Celsius. Uma variação de LOºC é igual a uma 
variação de LO K. 
Pare e Pense 16.4: a. No diagrama de fase da água pode-se verificar 
que, para uma pressão um pouco abaixo da pressão do ponto triplo, a 
transição sólido/gás ocorre a uma temperanira mais al ta do que a tran-
sição sólido/líquido em altas pressões. lsso não é verdadeiro para o di-
óxido de carbono. 
Pare e Pense 16.5: e. T = pV!nR. Pressão e volume são iguais, mas n 
é diferente. O número de mols da massa M é n = M!Mmci. O hélio, com 
a menor massa molar, contém um número maior de mols e, portanto, 
encontra-se à menor temperatura. 
Pare e Pense 16.6: b. A pressão é inteiramente determinada pelo peso 
do pistão que pressiona para baixo. A variação de temperatura altera o 
volume do gás, mas não, sua pressão. 
Pare e Pense 16.7: b. Durante o processo isocórico, em que p/pi = 1, 
a temperatura diminui por um fator de 4. Durante a expansão isobárica, 
cm que V / V, = 1, a temperatura aumenta por um fator de 2. 
17 Trab 
........ 
Esta imagem térmica em cores 
falsas - urna foto em infravermelho 
- mostra onde a energia térmica 
escapa de uma casa . 
..,.. Olhando adiante 
Os objetivos do Capítulo 17 são 
expandir nosso conhecimento sobre 
energia e discutir a prim~ira lei da 
termodinâmica como um enunciado 
geral da conservação de energia. 
Neste capítulo, você aprenderá a: 
\u2022 Compreender as transferências de 
energia conhecidas como trabalho 
e calor. 
\u2022 Usar a primeira lei da 
termodinâmica. 
\u2022 Calcular o trabalho e o calor para 
processos com gases ideais. 
\u2022 Usar o calor específico e o calor 
latente em aplicações práticas de 
calorimetria. 
\u2022 Compreender os processos 
adiabáticos. 
~ Em retrospectiva 
O material deste capítulo continua 
o desenvolvimento das idéias sobre 
a energia do Capítulo 11. Muitos 
dos exemplos dependem das 
propriedades dos gases ideais. Revise: 
\u2022 Seção 11.4 Trabalho 
\u2022 Seção 11 .7 e 11.8 Conservação da 
energia 
\u2022 Seções 16.4- 16.6 Mudanças de 
fase e gases ideais 
A Revolução Industrial foi movida pelo motor a vapor. O calor da queima do car-
vão ou da madeira era usado para ferver água e produzir vapor em alta pressão. Ao se 
expandir, o vapor empurrava um pistão que, por meio de uma série de engrenagens e 
alavancas, girava rodas de pás, fazia o maquinário funcionar e até mesmo impulsionava 
pesadas locomotivas. Os humanos haviam usado o calor por anos em suas atividades, da 
culinária à metalurgia, porém o motor a vapor significou a primeira vez na história da 
humanidade em que o calor foi utilizado para realizar trabalho. 
Neste capítulo, nosso objetivo é investigar a relação entre trabalho e calor em sis-
temas macroscópicos. Trabalho e calor são transferências de energia entre um sistema 
e sua vizinhança, portanto estaremos dando prosseguimento ao desenvolvimento dos 
conceitos de energia que iniciamos nos Capítulos lO e 11. Além disso, queremos enten- · 
der como varia o estado de um sistema em resposta ao trabalho e ao calor. Essas duas 
idéias, a de transferência de energia e a de