Exercícios sobre segunda lei da termodinâmica
Teste seus conhecimentos com esta lista de exercícios sobre segunda lei da termodinâmica, que expressa as condições necessárias para a conversão de energia térmica em trabalho.
(Urca) A moto é um meio de transporte cada vez mais preferível pela população da região do cariri cearense (apesar de seus riscos), principalmente por ser considerada mais econômica em relação ao consumo de combustíveis fósseis como a gasolina.
Em relação à explicação científica no campo da termodinâmica sobre o funcionamento de um motor de combustão interna da moto, marque a alternativa aceita na linguagem científica:
A) Todo calor produzido pela gasolina é transformado em energia mecânica para movimentar as rodas.
B) O motor de uma moto é considerado uma máquina térmica e somente uma parte do calor gerado é convertido em trabalho mecânico.
C) O fluxo de calor no motor a combustão interna da moto sempre flui da estrutura mais fria para a estrutura mais quente.
D) O rendimento do motor de uma moto pode ser encontrado pela divisão entre a temperatura fria Tfria e a temperatura quente Tquente.
E) A troca de óleo periodicamente garante a eficiência total do funcionamento do motor à combustão interna da moto.
(Escola Naval) Um motor térmico recebe 1200 calorias de uma fonte quente mantida a 227 °C e transfere parte dessa energia para o meio ambiente a 24 °C. Qual o trabalho máximo, em calorias, que se pode esperar desse motor?
A) 552
B) 681
C) 722
D) 987
E) n.d.a
(UEL) A Revolução Industrial foi acompanhada por profundas transformações na Europa. Os novos meios de transporte, que utilizavam as máquinas térmicas recém-criadas, foram essenciais aos avanços relacionados à industrialização por todo o continente. Naquele período, foi demonstrado teoricamente que uma máquina térmica ideal é aquela que descreve um ciclo especial, denominado ciclo de Carnot. Sobre os princípios físicos da termodinâmica e do ciclo de Carnot, assinale a alternativa correta.
A) As máquinas térmicas, que operam em ciclos, são incapazes de retirar o calor de uma fonte e o transformar integralmente em trabalho.
B) Em uma máquina térmica que opera em ciclos de Carnot, ocorrem duas transformações isobáricas e duas isovolumétricas.
C) No ciclo de Carnot, ocorre uma transformação reversível, enquanto as demais são irreversíveis.
D) O rendimento de uma máquina térmica é nulo quando as etapas do ciclo de Carnot forem transformações reversíveis.
E) Uma máquina térmica é capaz de transferir calor de um ambiente frio para um quente sem a necessidade de consumir energia externa.
(UFV) De acordo com a segunda lei da termodinâmica, a entropia do Universo:
A) não pode ser criada nem destruída.
B) acabará transformada em energia.
C) tende a aumentar com o tempo.
D) tende a diminuir com o tempo.
E) permanece sempre constante.
Calcule a temperatura da fonte fria de uma máquina de Carnot considerando que a temperatura da sua fonte quente é de 860 K e que o seu rendimento é de 90%.
A) 1790 K
B) 860 K
C) 430 K
D) 179 K
E) 86 K
Calcule o rendimento aproximado de um refrigerador que recebe 1000 J de calor da sua fonte quente e transfere 430 J dessa quantidade de calor para a sua fonte fria.
A) 30%
B) 55%
C) 75%
D) 80%
E) 100%
Quais das alternativas abaixo correspondem a aplicações da segunda lei da termodinâmica?
I. Televisores.
II. Máquinas térmicas.
III. Refrigeradores.
IV. Micro-ondas.
V. Forno elétrico.
A) Alternativas I e II.
B) Alternativas III e IV.
C) Alternativas I e V.
D) Alternativas II e III.
E) Alternativas II e IV.
Qual o trabalho realizado por um refrigerador que possui eficiência de 50% quando transfere da sua fonte quente 450 J de calor para a fonte fria?
A) 225 J
B) 450 J
C) 900 J
D) 1350 J
E) 1800 J
Uma máquina térmica durante um ciclo obtém 780 J de calor da fonte quente e cede 330 J de calor para a fonte fria. Considerando essas informações, determine o seu trabalho.
A) 330 J
B) 450 J
C) 780 J
D) 1110 J
E) 1230 J
Calcule o rendimento de uma máquina térmica que realiza um trabalho de 375 J e contém uma fonte fria que adiciona 500 J de calor.
A) 35%
B) 40%
C) 55%
D) 60%
E) 75%
Durante uma transformação termodinâmica e isotérmica a 300 K, a energia interna variou em \(2,7 \cdot 10^7\ J\). Considerando esses dados, calcule a variação da entropia do sistema termodinâmico.
A) 60 000 J/K
B) 70 000 J/K
C) 80 000 J/K
D) 90 000 J/K
E) 10 000 J/K
Quais proposições apresentam a unidade de medida correspondente às grandezas físicas estudadas na segunda lei da termodinâmica?
I. A temperatura é medida em Kelvin.
II. O calor é medido em Celsius.
III. O trabalho é medido em Kelvin.
IV. O rendimento é medido em Joule por Kelvin.
V. A entropia é medida em Joule por Kelvin.
A) Alternativas I e II.
B) Alternativas III e IV.
C) Alternativas I e V.
D) Alternativas II e III.
E) Alternativas IV e V.
Alternativa B.
De acordo com o ciclo de Carnot, na segunda lei da termodinâmica, apenas uma parte do calor é convertido em trabalho mecânico, a outra parte é dissipada.
Alternativa E.
Primeiramente, converteremos as temperaturas de Celsius para Kelvin:
\(227°C+273=500\ K\)
\(24°C+273=297\ K\)
Depois, calcularemos o rendimento da máquina térmica, por meio da fórmula do rendimento máximo do ciclo de Carnot:
\(η=1-\frac{T_F}{T_Q} \)
\(η=1-\frac{297}{500}\)
\(η=1-0,594\)
\(η=0,406\)
Por fim, calcularemos o trabalho máximo utilizando a fórmula do rendimento:
\(η=\frac{W}{Q_Q} \)
\(0,406=\frac{W}{1200}\)
\(W=0,406\cdot 1200\)
\(W=487,2\ cal\)
Alternativa A.
De acordo com o ciclo de Carnot, na segunda lei da termodinâmica, as máquinas térmicas que funcionam em ciclos são incapazes de retirar o calor de uma fonte e o transformar integralmente em trabalho.
Alternativa C.
De acordo com a 2ª lei da termodinâmica, a entropia é um fenômeno espontâneo, inevitável, irreversível e expansivo.
Alternativa E.
Calcularemos a temperatura da fonte fria por meio da fórmula do rendimento de uma máquina de Carnot:
\(η=1-\frac{T_F}{860}\)
\(90\%=1-\frac{T_F}{860}\)
\(\frac{90}{100}=1-\frac{T_F}{860}\)
\(0,9=1-\frac{T_F}{860}\)
\(0,9-1=-\frac{T_F}{860}\)
\(-0,1=-\frac{T_F}{860}\)
\(0,1=\frac{T_F}{860}\)
\(0,1\cdot 860 =T_F\)
\(TF=86\ K\)
Alternativa C.
Calcularemos o rendimento do refrigerador utilizando a sua fórmula:
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
\(η=\frac{430}{1000-430}\)
\(η=\frac{430}{570}\)
\(η≅0,75\)
\(η≅75\%\)
Alternativa D.
A segunda lei da termodinâmica é empregada nas máquinas térmicas e nos refrigeradores.
Alternativa C.
Calcularemos o trabalho realizado pelo refrigerador por meio da fórmula:
\(η=\frac{Q_F}W\)
\(50\%=\frac{450}W\)
\(\frac{50}{100}=\frac{450}W\)
\(0,5=\frac{450}W\)
\(W=\frac{450}{0,5}\)
\(W=900\ J\)
Alternativa B.
Calcularemos o trabalho de uma máquina térmica utilizando a fórmula que o relaciona aos calores da fonte quente e fonte fria:
\(W=Q_Q-Q_F\)
\(W=780-330\)
\(W=450\ J\)
Alternativa E.
Calcularemos o rendimento da máquina térmica por meio da fórmula que o relaciona ao trabalho e à quantidade de calor da fonte quente:
\(η=\frac{W}{Q_Q} \)
\(η=\frac{375}{500}\)
\(η=0,75\)
\(η=0,75\cdot 100 \%\)
\(η=75 \%\)
Alternativa D.
Calcularemos a entropia do sistema termodinâmico utilizando a sua fórmula geral:
\(∆S=\frac{∆U}T\)
\(∆S=\frac{2,7\cdot 10^7}{300}\)
\(∆S=\frac{27\ 000\ 000}{300}\)
\(∆S=90\ 000\ J/K\)
Alternativa C.
I. A temperatura é medida em Kelvin. (verdadeiro)
II. O calor é medido em Celsius. (falso)
O calor é medido em Joule.
III. O trabalho é medido em Kelvin. (falso)
O trabalho é medido em Joule.
IV. O rendimento é medido em Joule por Kelvin. (falso)
O rendimento não possui unidade de medida.
V. A entropia é medida em Joule por Kelvin. (verdadeiro)