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Termodinâmica

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O ciclo de Carnot é um modelo teórico proposto por Sadi Carnot no século XIX para entender os limites da conversão de calor em trabalho. Esse ciclo é composto por duas transformações isotérmicas (uma de expansão e outra de compressão) e duas adiabáticas (uma de expansão e outra de compressão), e descreve o funcionamento ideal de um motor térmico.
Suponha que uma máquina térmica opere segundo o ciclo de Carnot entre as duas fontes térmicas, uma quente a 600 K e a outra fria a 300 K. Essa máquina recebe 1000 J de calor da fonte quente. Com base nas informações fornecidas e nos princípios da termodinâmica, assinale a alternativa CORRETA:
A) A máquina rejeita 1000 J de calor para a fonte fria, pois nenhuma energia pode ser convertida em trabalho.
B) A eficiência do ciclo de Carnot depende unicamente do volume de gás e da quantidade de ciclos por segundo.
C) A eficiência do ciclo de Carnot é de 30%, pois a fonte fria está a 300 K.
D) O ciclo de Carnot pode operar com 100% de eficiência desde que a fonte fria esteja abaixo de 273 K.
E) A máquina realiza 500 J de trabalho por ciclo, e rejeita 500 J de calor para a fonte fria.
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Para resolver essa questão, precisamos entender a eficiência do ciclo de Carnot e como ela é calculada. A eficiência (η) de uma máquina térmica que opera entre duas fontes térmicas é dada pela fórmula: \[ η = 1 - \frac{T_f}{T_q} \] onde \(T_f\) é a temperatura da fonte fria e \(T_q\) é a temperatura da fonte quente, ambas em Kelvin. Dado: - \(T_q = 600 K\) - \(T_f = 300 K\) Substituindo na fórmula: \[ η = 1 - \frac{300}{600} = 1 - 0,5 = 0,5 \text{ ou } 50\% \] Agora, vamos analisar as alternativas: A) A máquina rejeita 1000 J de calor para a fonte fria, pois nenhuma energia pode ser convertida em trabalho. Incorreta. A máquina não rejeita todo o calor recebido, pois parte dele é convertida em trabalho. B) A eficiência do ciclo de Carnot depende unicamente do volume de gás e da quantidade de ciclos por segundo. Incorreta. A eficiência depende das temperaturas das fontes térmicas, não do volume de gás ou ciclos. C) A eficiência do ciclo de Carnot é de 30%, pois a fonte fria está a 300 K. Incorreta. Já calculamos que a eficiência é de 50%. D) O ciclo de Carnot pode operar com 100% de eficiência desde que a fonte fria esteja abaixo de 273 K. Incorreta. O ciclo de Carnot nunca pode operar com 100% de eficiência, pois isso violaria a segunda lei da termodinâmica. E) A máquina realiza 500 J de trabalho por ciclo, e rejeita 500 J de calor para a fonte fria. Correta. Se a máquina recebe 1000 J de calor e tem uma eficiência de 50%, ela converte 500 J em trabalho e rejeita 500 J para a fonte fria. Portanto, a alternativa correta é: E) A máquina realiza 500 J de trabalho por ciclo, e rejeita 500 J de calor para a fonte fria.

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Um gás ideal, em seu estado inicial 1, encontra-se a uma pressão PA e volume VA. Ao ser submetido a uma transformação isotérmica, o gás passa para o estado 2, em que PB = 0,8PA.
A relação entre os volumes VA e VB é:
a) VA = VB.
b) 4VA = 5VB.
c) 5VA = 4VB.
d) 8VA = VB.
e) VA = 8VB.

Um engenheiro está projetando uma ponte metálica que será exposta a variações significativas de temperatura ao longo do ano. Ele precisa calcular a dilatação térmica de um componente crítico da ponte, uma barra de aço com 50 metros de comprimento, para garantir que a estrutura permaneça segura e funcional. O coeficiente de dilatação linear do aço é α=12×10-⁶/ºC-¹. Durante o verão, a temperatura pode atingir 40°C, enquanto no inverno, pode cair para -10°C. Considerando que a barra de aço tenha sido instalada a uma temperatura de 20°C, qual será a variação no comprimento da barra quando a temperatura atingir 40°C?
Assinale a alternativa correta.
A) 0,048 m
B) 0,012 m
C) 0,060 m
D) 0,036 m
E) 0,024 m

Um gás ideal se encontra a uma pressão inicial P0=3,0atm e está contido num recipiente cilíndrico de volume inicial V0=100cm3. Sobre este gás se realiza uma compressão isotérmica, e observa-se que o volume do gás atinge 30 cm³.
A pressão do gás neste estado é de:
A) 2,0×10−1 atm
B) 90×10−5 atm
C) 1,0×10¹ atm
D) 9,0×10−4 atm
E) 10×10−3 atm

Uma certa massa de gás hélio sofreu uma transformação que a levou de um estado de equilíbrio inicial I, situado no plano pressão-volume, para um estado de equilíbrio final F, do mesmo plano, conforme a figura. Se a temperatura do estado inicial era 100 K, a temperatura do estado final é:
A) 100 K
B) 200 K
C) 900 K
D) 400 K
E) 700 K

A Calorimetria é o ramo da Física que estuda as trocas de calor entre corpos ou sistemas. Essas trocas são regidas pelo princípio da conservação da energia, que, no contexto da Calorimetria, é expresso pela Lei das Trocas de Calor. Quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato térmico, um corpo cede calor e outro recebe calor até que ambos atinjam o equilíbrio térmico (a mesma temperatura). A quantidade de calor trocada pode ser calculada utilizando a equação fundamental da Calorimetria: Q=m⋅c⋅ΔT em que Q é o calor em calorias (cal), m é a massa do corpo em gramas (g), c é o calor específico da substância (em cal/g°C) e ΔT é a variação de temperatura (em °C). Em sistemas termicamente isolados, a quantidade de calor cedida, em sistemas sem perda para o ambiente, é igual à quantidade de calor recebida. O princípio da conservação da energia se aplica totalmente: em um sistema isolado, a soma das quantidades de calor trocadas é igual a zero: Qcedido+Qrecebido= 0.
A assertiva e a razão são verdadeiras, e a razão justifica corretamente a assertiva.
A) A assertiva e a razão são verdadeiras, e a razão justifica corretamente a assertiva.
B) A assertiva é verdadeira, e a razão é falsa.
C) A assertiva é falsa, mas a razão é verdadeira.
D) A assertiva e a razão são falsas.
E) A assertiva e a razão são verdadeiras, mas a razão não justifica corretamente a assertiva.

A calorimetria é a área da física que estuda as trocas de calor entre corpos e sistemas. Essas trocas são regidas por princípios fundamentais, como a conservação de energia e a capacidade térmica dos materiais. Considere as seguintes afirmativas sobre os fundamentos da calorimetria:
I. A quantidade de calor (Q) trocada por um corpo é diretamente proporcional à sua massa (m), à sua variação de temperatura (ΔT) e ao seu calor específico (c), conforme a equação Q = m·c·ΔT.
II. O calor específico de uma substância é uma propriedade intrínseca que indica a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 grama dessa substância em 1°C, e seu valor é sempre constante para qualquer material.
III. Em um sistema termicamente isolado, a soma das quantidades de calor trocadas entre os corpos é nula, ou seja, ΣQ = 0, o que reflete o princípio da conservação de energia.
A) Apenas as afirmativas I e III estão corretas.
B) Todas as afirmativas estão corretas.
C) Apenas as afirmativas II e III estão corretas.
D) Apenas a afirmativa I está correta.
E) Apenas as afirmativas II e I estão corretas.

Para o preparo de uma xícara de café com leite, são utilizados 150 ml (150 g) de café a 80 ºC e 50 ml (50 g) de leite a 20 ºC.
Qual será a temperatura do café com leite? Utilize o calor específico do café como sendo igual ao da água (c = 1,0 cal/g°C).
A) 75°C
B) 65°C
C) 80°C
D) 50°C
E) 90°C

Uma substância com massa de 250 g é submetida a um aquecimento, conforme mostra abaixo o diagrama calor versus temperatura.
Analisando o diagrama, pode-se afirmar que o calor específico dessa substância é:
A) 0,1 cal/g°C
B) 2 cal/g°C
C) 0,01 cal/g°C
D) 1 cal/g°C
E) 2,5 cal/g°C

Uma barra de cobre com coeficiente de dilatação linear de 17×10−⁶ °C−¹ está inicialmente a 30 °C e é aquecida até que a sua dilatação corresponda a 0,17% de seu tamanho inicial.
Determine a temperatura final dessa barra.
A) 105°C
B) 70°C
C) 65°C
D) 95°C
E) 130°C

Um gás ideal é uma simplificação teórica que permite estudar o comportamento dos gases reais em condições específicas. Sobre esse assunto, considere as seguintes afirmacoes:
I. Um gás ideal segue estritamente a equação de estado PV=nRT onde P é a pressão, V é o volume, n é o número de mols, R é a constante dos gases ideais e T é a temperatura absoluta.
II. Em um gás ideal, as partículas são consideradas pontuais e não exercem forças entre si, exceto durante colisões perfeitamente elásticas.
III. A energia interna de um gás ideal depende apenas da temperatura e do número de mols, sendo diretamente proporcional a ambos.
A) Todas as afirmativas estão corretas.
B) Apenas as afirmativas I e III estão corretas.
C) Apenas as afirmativas II e III estão corretas.
D) Apenas as afirmativas I e II estão corretas.
E) Apenas a afirmativa I está correta.

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