PROVA D2 DE FISICA TERMODINAMICA UNA

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Se olharmos ao redor, perceberemos como o mundo evoluiu a partir do século XVIII e início do século XIX, com a revolução industrial. O advento da máquina, em suas variadas formas, alargou os horizontes do homem, proporcionando novos recursos para o desenvolvimento urbano e industrial, desde as descobertas de fontes de energia até a expansão de mercados e de territórios dentro e fora da Europa. O esquema a seguir representa o ciclo de operação de determinada máquina térmica cujo combustível é um gás. Quando em funcionamento, a cada ciclo o gás absorve calor (Q1) de uma fonte quente, realiza trabalho mecânico (W) e libera calor (Q2) para uma fonte fria.
Com base nos conhecimentos acerca das máquinas térmicas, responda as questões a seguir.
a) Cite três exemplos de máquinas térmicas, suas aplicações e o modo de funcionamento de cada uma. Descreva os combustíveis utilizados, identifique qual é a fonte quente e qual é a fonte fria, e apresente a eficiência (em média) de cada máquina, entre outras informações que você considerar relevante. (40%)
b) Descreva sobre os impactos sociais, ambientais e econômicos provocados pelas máquinas térmicas descritas no item (a). (25%)
c) Vamos supor que uma determinada máquina, a cada ciclo, realiza um trabalho de 400 J com eficiência de 40%, foi adquirida por certa indústria. Para essa máquina, qual a quantidade de calor rejeitada para a fonte fria e qual a variação da energia interna? Justifique sua resposta. (35%).
Explique todos os seus cálculos e suas considerações para validação da questão.
Respostas:
a) Motor à combustão: a partir de uma faísca e compressão do combustível ocorre a combustão, na qual o calor é liberado (energia térmica). Essa energia térmica movimenta o pistão (energia mecânica), o qual rotaciona o eixo de um automóvel, por exemplo, colocando este em movimento.
Abaixo segue o exemplo do motor à 4 tempos:
Agora veja como funciona o motor de um carro e o que ocorre em cada tempo:
1º tempo: Admissão — No início, o pistão está em cima, isto é, no chamado ponto morto superior. Nesse primeiro estágio, a válvula de admissão abre e o pistão desce, sendo puxado pelo eixo virabrequim. Uma mistura de ar e vapor de gasolina entra pela válvula para ser “aspirada” para dentro da câmara de combustão, que está a baixa pressão. O pistão chega ao ponto morto inferior, e a válvula de admissão fecha, completando o primeiro tempo do motor.
2º tempo: Compressão — O pistão sobe e comprime a mistura de ar e vapor de gasolina. O tempo de compressão fecha quando o pistão sobe totalmente.
3º tempo: Explosão ou combustão — Para dar início à combustão da mistura combustível que está comprimida, solta-se uma descarga elétrica entre dois pontos da vela de ignição. Essa faísca da vela detona a mistura e empurra o pistão para baixo, fazendo com que ele atinja o ponto morto inferior.
4º tempo: Escape — A mistura de ar e combustível foi queimada, mas ficaram alguns resíduos dessa combustão que precisam ser retirados de dentro do motor. Isso é feito quando o pistão sobe, a válvula de escape abre, e os gases residuais são expulsos.
Fonte: http://energiainteligenteufjf.com/como-funciona/como-funciona-motores-a-combustao-interna/ 
Fonte quente: combustão.
Fonte fria: meio externo
Eficiência: média de 25%
Usina termoelétrica:
“Este tipo de usina é uma instalação industrial que produz energia a partir do calor gerado pela queima de combustíveis fósseis (como carvão mineral, óleo, gás, entre outros) ou por outras fontes de calor (como a fissão nuclear, em usinas nucleares).
Essas usinas funcionam da seguinte maneira:
Primeiramente aquece-se uma caldeira com água, essa água será transformada em vapor, cuja a força irá movimentar as pás de uma turbina que por sua vez movimentará um gerador.
Após o vapor ter movimentado as turbinas ele é enviado a um condensador para ser resfriado e transformado em água líquida para ser reenviado ao caldeirão novamente, para um novo ciclo”.
Fonte: https://www.infoescola.com/fisica/usina-termoeletrica/ 
Fonte quente: combustão.
Fonte fria: condensador
Eficiência: média de 30% à 40%
Trem à vapor: A combustão proveniente da combinação do carbono e hidrogênio contidos no carvão, com o oxigênio do ar, produz calor e é um exemplo da transformação da energia química em energia térmica. A água, à temperatura elevada, entra em ebulição e se transforma em vapor. O vapor em alta pressão movimenta pistões, transformando energia térmica em mecânica.
Fonte quente: combustão.
Fonte fria: meio externo
Eficiência: inferior à 10%
b) Impactos ambientais:
Todas as máquinas citadas emitem gases poluentes para atmosfera. A usina nuclear apesar de não emitir gases, gera lixo atômico e altera a temperatura da água do mar, próxima ao local onde é construída.
Impactos econômicos e sociais:
O exemplo das máquinas à vapor:
“As máquinas à vapor, principalmente os gigantes teares, revolucionou o modo de produzir. Se por um lado a máquina substituiu o homem, gerando milhares de desempregados, por outro baixou o preço de mercadorias e acelerou o ritmo de produção. Na área de transportes, podemos destacar a invenção das locomotivas à vapor (maria fumaça) e os trens à vapor. Com estes meios de transportes, foi possível transportar mais mercadorias e pessoas, num tempo mais curto e com custos mais baixos. As fábricas do início da Revolução Industrial não apresentavam o melhor dos ambientes de trabalho. As condições das fábricas eram precárias. Eram ambientes com péssima iluminação, abafados e sujos. Os salários recebidos pelos trabalhadores eram muito baixos e chegava-se a empregar o trabalho infantil e feminino. Os empregados chegavam a trabalhar até 18 horas por dia e estavam sujeitos a castigos físicos dos patrões. Não havia direitos trabalhistas como, por exemplo, férias, décimo terceiro salário, auxílio doença, descanso semanal remunerado ou qualquer outro benefício. Quando desempregados, ficavam sem nenhum tipo de auxílio e passavam por situações de precariedade. Em muitas regiões da Europa, os trabalhadores se organizaram para lutar por melhores condições de trabalho. Os empregados das fábricas formaram as trade unions (espécie de sindicatos) com o objetivo de melhorar as condições de trabalho dos empregados. A Revolução tornou os métodos de produção mais eficientes. Os produtos passaram a ser produzidos mais rapidamente, barateando o preço e estimulando o consumo. Por outro lado, aumentou também o número de desempregados. As máquinas foram substituindo, aos poucos, a mão-de-obra humana. A poluição ambiental, o aumento da poluição sonora, o êxodo rural e o crescimento desordenado das cidades também foram consequências nocivas para a sociedade”.
Fonte: https://docplayer.com.br/5202550-Revolucao-industrial-impactos-economicos%20%20%20sociais-culturais-e-politicos.html 
c) 
e = w/ |Qq|
0,4 = 400/ |Qq| = 1000J
W1 = |Qq| - |Qf|
400 = |1000| - |Qf|
|Qf| = 600j
A variação da energia interna é nula, pois é uma transformação cíclica.