Termodinamica NP2 B - Gabarito da Prova Unip

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CURSO DE ENGENHARIA CICLO BÁSICO* 
 
 
 
 
 
Instituto de Ciências Exatas e Tecnologia 
Campus Flamboyant - Goiânia 
Nome do Aluno: 
 
 
Assinatura do Aluno: 
RA: Turma: 
Data: 31/05/2019 
Disciplina: Fundamentos de Termodinâmica 
Professor: Me. Adailton Castro 
Valor: 10,0 
 Valor Atividades Complementares (AC): 2,0 
 Valor Verificação de Aprendizagem (VA): 8,0 
Nota VA: 
 
Nota AC: 
 
Total: 
2ª Verificação de Aprendizagem 
 
Observações: 
✓ Leia a prova atentamente; 
✓ Evite perguntas desnecessárias; 
✓ Avaliação individual e sem consulta; 
✓ A avaliação deve ser respondida utilizando caneta esferográfica de cor preta ou azul; 
✓ Questões a lápis serão corrigidas, porém não serão passíveis de revisão da correção; 
✓ Respostas rasuradas, ilegíveis e/ou borradas não serão consideradas; 
✓ Não é permitida consulta a qualquer tipo de material didático ou mesmo a qualquer colega. Caso 
isto aconteça, a avaliação será cancelada, sendo o(s) aluno(s) passível de punição acadêmica; 
✓ Não será permitido o empréstimo de objetos (lápis, caneta, borracha, calculadora e outros) durante 
a avaliação; 
✓ É expressamente proibido o uso de aparelhos eletroeletrônicos durante a realização da avaliação, 
principalmente celulares. Caso o aluno seja abordado utilizando tal aparelho, o mesmo terá a 
pontuação da avaliação zerada; 
✓ É permitido o uso de calculadora científica não programável. 
✓ Somente será permitida a entrada de alunos para fazer a prova até a saída do primeiro aluno da sala 
ou 15 minutos após o início da mesma. O que ocorrer primeiro; 
✓ Em questões onde haja cálculos necessários, os mesmos deverão ser demonstrados; 
✓ Cada questão apresentará seu valor relativo no enunciado da mesma; 
✓ Desligue o celular e observe o tempo disponível para resolução. 
✓ Tempo máximo de prova: 75 minutos; 
✓ Coloque NOME, RA e TURMA; 
✓ Boa Prova. 
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Questão 01 (Valor: 0,5) 
Aumentar a eficiência na queima de combustível dos motores à combustão e reduzir suas emissões 
de poluentes são 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. 
b) (𝑿) um dos princípios da termodinâmica, segundo o qual o rendimento de uma 
máquina térmica nunca atinge o ideal. 
c) ( ) o funcionamento cíclico de todo 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. 
 
 
Questão 02 (Valor: 0,5) 
Diferentemente da dinâmica newtoniana, que não distingue passado e futuro, a direção temporal 
tem papel marcante no nosso dia. Assim, por exemplo, ao aquecer uma parte de um corpo 
macroscópico e o isolarmos termicamente, a temperatura deste se torna gradualmente uniforme, 
jamais se observando o contrário, o que indica a direcionalidade do tempo. Diz-se então que os 
processos macroscópicos são irreversíveis, evoluem do passado para o futuro e exibem o que o 
famoso cosmólogo Sir Arthur Eddington denominou de seta do tempo. A lei física que melhor traduz 
o tema do texto é 
a) ( ) a segunda lei de Newton. 
b) ( ) a lei de conservação da energia. 
c) (𝑿) a segunda lei da termodinâmica. 
d) ( ) a lei zero da termodinâmica. 
e) ( ) a lei de conservação da quantidade de movimento. 
 
3 
 
Questão 03 (Valor: 0,5) 
Os estudos científicos desenvolvidos pelo engenheiro francês Nicolas Sadi Carnot (1796-1832) na 
tentativa de melhorar o rendimento de máquinas térmicas serviram de base para a formulação da 
segunda lei da termodinâmica. Acerca do tema, considere as seguintes afirmativas: 
1. O rendimento de uma máquina térmica é a razão entre o trabalho realizado pela máquina 
num ciclo e o calor retirado do reservatório quente nesse ciclo. 
2. Os refrigeradores são máquinas térmicas que transferem calor de um sistema de menor 
temperatura para outro a uma temperatura mais elevada. 
3. É possível construir uma máquina, que opera em ciclos, cujo único efeito seja retirar calor 
de uma fonte e transformá-lo integralmente em trabalho. 
Assinale a alternativa correta. 
a) ( ) Somente as afirmativas 1 e 3 são verdadeiras. 
b) ( ) Somente a afirmativa 1 é verdadeira. 
c) ( ) Somente a afirmativa 2 é verdadeira. 
d) (𝑿) Somente as afirmativas 1 e 2 são verdadeiras. 
e) ( ) Somente as afirmativas 2 e 3 são verdadeiras. 
Questão 04 (Valor: 0,5) 
A respeito do que faz um refrigerador, pode-se dizer que: 
a) ( ) produz frio. 
b) ( ) anula o calor. 
c) ( ) converte calor em frio. 
d) (𝑿) remove calor de uma região e o transfere a outra. 
 
Questão 05 (Valor: 0,5) 
Considere uma máquina térmica operando em um ciclo termodinâmico. Esta máquina recebe 300J 
de uma fonte quente cuja temperatura é de 400K e produz um trabalho de 150J. Ao mesmo tempo, 
rejeita 150J para uma fonte fria que se encontra a 300K. A análise termodinâmica da máquina 
térmica descrita revela que o ciclo proposto é um(a): 
a) ( ) máquina frigorífica na qual tanto a Primeira Lei quanto a Segunda Lei da termodinâmica 
são violadas. 
b) ( ) máquina frigorífica na qual a Primeira Lei é atendida, mas a Segunda Lei é violada. 
c) ( ) motor térmico no qual tanto a Primeira Lei quanto a Segunda Lei da termodinâmica são 
atendidas. 
d) ( ) motor térmico no qual a Primeira Lei é violada, mas a Segunda Lei é atendida. 
e) (𝑿) motor térmico no qual a Primeira Lei é atendida, mas a Segunda Lei é violada. 
4 
 
Letra (a) 
𝜂𝑐 = 1 −
𝜃𝐶
𝜃𝐻
= 1 −
560
720
= 0,222 
𝑊 = 𝜂𝑐𝑄𝐻 
𝑊 = 0,222 ∙ 1500 
𝑾 = 𝟑𝟑𝟑 𝑱 
Letra (b) 
𝐶𝐷𝑐 =
𝜃𝐶
𝜃𝐻 − 𝜃𝐶
 
𝐶𝐷𝑐 =
560
720 − 560
 
𝐶𝐷𝑐 = 3,5 
𝐾 =
𝑄𝑐
𝑊
 
𝑊 =
𝑄𝑐
𝑊
 
𝑊 =
2400
3,5
 
𝑾 = 𝟔𝟖𝟓, 𝟕𝟏 𝑱 
Questão 06 (Valor: 0,5) 
Com relação às máquinas térmicas e a Segunda Lei da Termodinâmica, analise as proposições a 
seguir. 
I. Nenhuma máquina térmica operando entre duas temperaturas fixadas pode ter rendimento 
maior que a máquina ideal de Carnot, operando entre essas mesmas temperaturas. 
II. O enunciado da Segunda Lei da Termodinâmica, proposto por Clausius, afirma que o calor 
não passa espontaneamente de um corpo frio para um corpo mais quente, a não ser forçado 
por um agente externo como é o caso do refrigerador. 
III. É possível construir uma máquina térmica que, operando em transformações cíclicas, tenha 
como único efeito transformar completamente em trabalho a energia térmica de uma fonte 
quente. 
IV. Máquinas térmicas são dispositivos usados para converter energia mecânica em energia 
térmica com consequente realização de trabalho. 
São corretas apenas 
a) (𝑿) I e II 
b) ( ) II e III 
c) ( ) I, III e IV 
d) ( ) II e IV 
 
Questão 07 (Valor: 2,5) 
(a) [Valor: 1,25] Durante cada ciclo, uma máquina de Carnot absorve 1500 J na forma decalor de uma fonte quente a 720 K, com a fonte fria a 560 K. Qual é o trabalho realizado 
por ciclo? 
(b) [Valor: 1,25] A máquina é operada em sentido inverso para funcionar como um 
refrigerador de Carnot entre as mesmas fontes. Que trabalho é necessário, durante um 
ciclo, para remover 2400 J da fonte fria na forma de calor? 
 
5 
 
𝜂 =
𝑊
𝑄1
=
𝜃1 − 𝜃2
𝜃1
 
𝑊
𝑄1
=
𝜃1 − 𝜃2
𝜃1
 
𝑘 =
𝑄4
𝑊
=
𝑇4
𝑇3 − 𝑇4
 
Como 𝑄4 = 𝑄3 − 𝑊 
(𝑄3 − 𝑊)
𝑤
=
𝑇4
𝑇3 − 𝑇4
 
Como o trabalho realizado pela máquina é usado para fazer funcionar o refrigerador, 𝑊 é o mesmo nos 
dois casos. Vamos calcular 𝑊 para o motor e substituir a expressão resultante na equação do refrigerador. 
No caso do motor 𝑊 = (𝜃1 − 𝜃2)
𝑄1
𝜃1
. Substituindo na equação do refrigerador temos: 
𝜃4
(𝜃3 − 𝜃4)
=
𝑄3
𝑊
− 1 =
𝑄3𝜃1
𝑄1(𝜃1 − 𝜃2)
− 1 
Explicitando 
𝑄3
𝑄1
, obtemos 
 
𝑄3
𝑄1
= (
𝜃4
𝜃3 − 𝜃4
+ 1) (
𝜃1 − 𝜃2
𝜃1
) = (
𝑇3
𝑇3 − 𝑇4
) (
𝜃1 − 𝜃2
𝜃1
) =
1 − (
𝜃2
𝜃1
)
1 − (
𝜃4
𝜃3
)
 
𝑄3
𝑄1
=
1 − (
300
800)
1 − (
450
650
)
 
𝑸𝟑
𝑸𝟏
= 𝟐, 𝟎𝟑 
Questão 08 (Valor: 2,5) 
A figura mostra uma máquina de Carnot que trabalha entre as temperaturas 𝜃1 = 800 𝑘 e 𝜃2 =
300 𝑘 e alimenta um refrigerador de Carnot que trabalha entre as temperaturas 𝜃3 = 650 𝑘 e 𝜃4 =
450 𝑘. Qual é a razão 𝑄3/𝑄1? 
 
 
 
6 
 
DADOS 
Calor específico do gelo = 0,5 𝑐𝑎𝑙/𝑔℃; 
Calor latente do gelo = 80 𝑐𝑎𝑙/𝑔; 
Calor específico da água = 1,0 𝑐𝑎𝑙/𝑔℃; 
Calor latente de vaporização da água = 540 𝑐𝑎𝑙/𝑔, e 
Calor específico do vapor d’água = 0,48 𝑐𝑎𝑙/𝑔℃. 
Formulário 
𝐶 =
𝑄
∆𝜃
 𝑄 = 𝑚𝑐∆𝜃 𝑄 = 𝑚𝐿 𝐶 = 𝑀𝑐 𝐿𝑚𝑜𝑙 = 𝑀𝐿 
𝑃1∀1
𝛾= 𝑃2∀2
𝛾
 𝛾 =
𝑐𝑝
𝑐𝑣
 
𝑃1∀1
𝜃1
=
𝑃2∀2
𝜃2
 𝜃1∀1
𝛾−1= 𝜃2∀2
𝛾−1
 𝑊𝜏1,2=∫ 𝑃 𝑑∀𝑉2𝑉1
 
Δ𝑈1,2 = 𝑛𝑐𝑉(𝜃2 − 𝜃1) 𝐶𝐷 =
𝑄2
𝜏
 Δ𝑈1,2 = 𝑄1,2 − 𝑊1,2 𝑄1,2 = 𝑛𝑐𝑉(𝜃2 − 𝜃1) 𝜂𝑐 = 1 −
𝜃2
𝜃1
 
𝑊1,2 = 𝑃(∀2 − ∀1) 𝑐𝑉 =
3
2
𝑅 𝑊1,2 = 𝑃1∀1𝑙𝑛
∀2
∀1
 𝑊1,2 =
𝑃2∀2 − 𝑃1∀1
1 − 𝛾
 𝐶𝐷 =
𝜃2
𝜃1−𝜃2
 
𝑄2 = 𝑄1 − 𝑊 𝜂 =
𝑊
𝑄1
 
𝑇𝑐
5
=
𝑇𝐹 − 32
9
=
𝑇𝐾 − 273
5
 𝑄1,2 = 𝑛𝑐𝑃(𝜃2 − 𝜃1) 𝜂 =
𝜃1−𝜃2
𝜃1
 
𝑐𝛼 = [
𝛼 − 𝛾
𝛼 − 1
] 𝑐𝑉 𝑐𝑝 =
5
2
𝑅 𝑊1,2 = 𝑃2𝑉2𝑙𝑛
∀1
∀
 𝑊1,2 =
𝑃2∀2 − 𝑃1∀1
1 − 𝛼
 𝑃∀= 𝑛𝑅𝜃