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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este ar para uma região próxima do nível 
do mar onde a pressão é 100 kPa? 
540 Física: Uma Abordagem Estratégica 
73. li Você deseja instalar um sistema de aquecimento solar de água em 
seu telhado, mas não tem ceneza se isso é vantajoso. Um livro de 
referência sobre energia solar revela que a intensidade solar ao nh·el 
do solo, em sua cidade, é de 800 W/m2 por no mínimo 5 hora~ diárias 
durante quase o ano inteiro. Supondo que um coletor solar completa-
mente preto perca energia apenas por irradiação e que a temperdtura 
do ar circundante seja 2D°C, qual será a temperatura de equiliôrio de 
um coletor que esteja diretamente voltado para o Sol? l\ote que. em-
bora um coletor tenha duas faces, somente aquela que está voltada 
para o Sol é que irradiará, pois a face oposta está bem-isolada. 
74. li Uma caixa cúbica com 20 cm de lado é construída com painéis 
de concreto de 1,2 cm de espessura. Uma lâmpada de 100 W é colo-
cada dentro da caixa, lacrada. Qual será a temperatura do ar dentro 
da caixa quando a luz estiver acesa se a temperatura do ar circun-
dante é 20 ºC? 
75. li A intensidade da radiação solar na posição da órbita da Terra é de 
1.370 W/m2\u2022 Trinta por cento dessa energia são refletidos pela água 
e pelas nuvens, e 70% são absorvidos. Qual seria a temperatura 
média da Terra (cm ºC) se ela não possuísse atmosfera? A emissivi-
dade da superfície é muito próxima a l. (A temperatura média real 
da Terra, de aproximadamente 15ºC, deve ser maior do que a obtida 
em seu cálculo, por causa do efeito estufa). 
Nos Problemas de 76 a 78 você receberá uma equação a ser usada na re-
solução do correspondente problema. Para cada uma delas, você deverá: 
a. Redigir um problema realista para o qual a equação fornecida 
seja correta. 
b. Resolver o problema proposto. 
76. 50 J = -n(8,31 J/molK)(350 K)ln(t) 
77. (200 X 10-6 m3)(13.600 kg/m3) 
X (140 J/kgK)(90ºC - 15°C) 
+ (0,50 kg)(449 J/kg K)(90ºC - 7j) =O 
78. (10 atm)V21.40 = (1,0 atm)V11\u202240 
Problemas desafiadores 
79. A FIGURA PD17.79 representa um 
processo termodinâmico sofrido 
por 120 mg de hélio. 
p(atm) 
3 1 
2 
a. Determine a pressão (em atm), 
a temperatura (em ºC) e o volu-
me (em cm3) do gás correspon-
dentes aos pontos 1, 2 e 3. Dis-
ponha seus resultados em uma 
tabela para facil itar a leitura. 
O V(cm3) 
o 1 ()()() 2000 3000 
FIGURA PD17.79 
b. Quanto trabalho é realizado sobre o gás durante cada um dos três 
segmentos mostrados na figura? \u2022 
c. Quanto calor é l[ansfcrido para o gás ou para fora dele durante 
cada um dos três segmentos? 
80. Um cilindro contendo nitrogênio gasoso cem 6,0 cm de diâmetro e 
dispõe de um pistão móvel de cobre com 4,0 cm de espessura. O 
cilindro está posicionado venicalmente, conforme mostra a FIGURA 
PD17.BO. e o ar acima do pistão é evacuado. 
Quando a temperatura do gá~ é 2ü°C, o pistão 
flutua 20 cm acima do fundo do cilindro. 
a. Qual é a pressão do gás? 
b. Quantas moléculas de gás se encontram no 
cilindro? 
1 
Pistão 
A seguir, 2,0 J de energia térmica são transfe-
ri~ ~ra o~. W= N, 
e. Qual é a nova temperatura de equilíbrio do 
gás? 
d. Qual é a altura final do pistão? 
e. Quanto trabalho é realizado sobre o gás du-
rante a subida do pistão'! 
6.0cm 
FIGURA PD17.80 
81. Um dia você chega ao laboratório e encontra uma garrafa térmi-
ca de 2.000 mL, bem-isolada terrnicamente, contendo 500 mL de 
. nitrogênio líquido cm ebulição. O restante da garrafa contém gás 
nitrogênio a uma pressão de 1,0 atm. O gás e o liquido estão em 
equilíbrio térmico. Enquanto espera o laboratório começar a fun-
cionar. você nota um pedaço de ferro sobre a mesa no qual está 
escrito '' 197 g". Só de brincadeira, você coloca o pedaço de ferro 
dentro de uma garrafa térmica e fecha a tampa firmemente, de ma-
neira que nenhum gá~ possa escapar. Após alguns segundos, qual é 
a pressão no interior da garrafa ténnica? A densidade do nitrogênio 
liquido é de 810 kg/m3\u2022 
82. Um bastão cilíndrico de cobre e um bastão de ferro exatamente das 
mesmas dimensões são soldados pelas extremidades. A extremida-
de livre do bastão de cobre é mantida a lOO°C, enquanto a extremi-
dade livre do bastão de ferro é mantida a OºC. Qual é a temperatura 
no ponto médio, onde os bastões estão soldados? 
83. Uma amostra de 0,020 mo! de um gás diatõmico, a uma temperatu-
ra inicial de 20°C, é comprimida de 1500 cm3 para 500 cm3 durante 
um processo em que p v1 = constante. 
a. Qual é a temperatura final do gás (em ºC)? 
b. Quanto calor foi cedido ao gás durante o processo? 
c. Desenhe o diagrama pV correspondente, incluindo escalas ade-
quadas para os dois eixos. 
RESPOSTAS DAS QUESTÕES DO TIPO PARE E PENSE 
Pare e Pense 17.1: a. O pistão realiza um trabalho W sobre o gás. ~ão 
há calor em ra7ÃO do isolamento e ô.E,.,,. = O porque o gás como um 
todo não se desloca. Logo, tlE"""' = W > O. O trabalho aumenta a ener-
gia térmica do sistema e,.portanto, sua tcmperarura rambém. 
Pare e Pense 17.2: d. W" =O porque A é um processo isocórico. W8 
= wl para2 + W2.-l· Porém IWz.,.,.31 > IW1 pars21 porque é maior a área 
sob acurva, e W2 ....-, 3 é positivo, enquanto W1 P= 2é negativo. Logo, W8 
é positivo. 
Pare e Pense 17.3: b e e. A temperarura aumenta em d devido ao traba-
lho realizado sobre o gás (tl E,"'" ~ W), e não, ao calor. O processo e en-
volve calor porque existe uma diferença de temperatura. A temperatura 
do gás não sofre alteração, pois o calor é usado para realizar o trabalho 
de erguer um peso. 
Pare e Pense 17.4: e. A temperatura aumenta, ponanto E ..... deve au-
mentar. Durante uma expansão, W é negativo, então Q deve ser positivo 
e maior do que IWl-
Pare e Pense 17.5: a. O objeto A possui calor específico menor e, por-
tanto. inércia térmica também menor. A temperatura deA varia mais do 
que ade B. 
Pare e Pense 17.6: a. w,. + Q,. = W8 + Q8 . A área sob a curva corres-
pondente ao processo A é maior do que a área sob a curva de B, portan-
to W,. é mais negativo do que WJJ. Q,. tem de ser mais positivo do que Q8 
a fim de que a igualdade se cumpra. 
Pare e Pense 17.7: e. Condução, convecção e evaporação requerem a 
existência de um meio material. Somente a irradiação transfere energia 
através do vácuo do espaço. 
Um gás consiste em um vasto número de moléculas que colidem incessantemente 
:nas com as outras e com as paredes do recipiente enqnanto zunem pelo espaço. Um 
solido contém incontáveis átomos que oscilam em torno de suas posições de equilíbrio. 
\u2022 -so objetivo neste capítu lo é demonstrar como esta agitação em nível microscópico 
di origem a valores previsíveis e constantes de variáveis macroscópicas como a pressão, 
a ;.emperatura e o calor específico. 
Essa conexão micro/macro, que leva o nome mais formal de teoria cinética, nos 
_Lidará a elucidar diversos problemas que observamos nos dois capítulos anteriores. 
PI 'f exemplo, por que todos os sólidos elementares possuem calores específicos molares 
~s. assim como todos os gases monoatômicos e cliatômicos? A teoria cinética tam-
béc! nos dará uma compreensão melhor do calor e de como dois sistemas se aproximam 
do equilíbrio térmico à medida que interagem um com o outro. 
Também introduziremos uma nova lei da natureza, a segunda lei da termodinâmica. 
A >egunda lei é muito sutil , porém tem implicações profundas. Usaremos a segunda lei 
--z. entender por que a energia térmica "flui" do quente para o frio em vez de do frio 
p:lra o quente. 
18 
Aquecer o ar em um balão aumenta a 
energia térmica das moléculas do ar. 
Isso faz com que o gás se expanda, o 
que reduz sua densidade e permite 
que o balão flutue no ar mais frio 
circundante . 
.... Olhando adiante 
O objetivo do Capítulo 18 é 
compreender as propriedades de um 
sistema macroscópico em função 
do comportamento microscópico de 
suas moléculas. Neste capítulo, você