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COPE
FÍSICA - LÉO
PAULISTAS
AS MÁQUINAS
TÉRMICAS E A 2ª LEI
DA TERMODINÂMICA
MÁQUINAS TÉRMICAS
MOTOR TÉRMICO
REFRIGERADOR TÉRMICO
(máquina térmica)
(máquina frigorífica)
MOTOR TÉRMICO
MOTOR TÉRMICO: dispositivo que
transforma calor (Q)
em trabalho (τ).
MOTOR TÉRMICO
MOTOR TÉRMICO
τ = 𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 − 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎
RENDIMENTO DE UM MOTOR TÉRMICO (η)
η =ú𝑡𝑖𝑙
𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
η =τ
𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒
τ = 𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 − 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎
η = 1 −𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒
é adimensional
REFRIGERADOR TÉRMICO
REFRIGERADOR TÉRMICO: dispositivo que
transforma trabalho (τ)
em calor (Q).
REFRIGERADOR TÉRMICO
𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎 + τ
REFRIGERADOR TÉRMICO
𝑒 =𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎τ
𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎 + τ
EFICIÊNCIA DE UM REFRIGERADOR TÉRMICO (e)(coeficiente de desempenho)
(Enunciado de Kelvin-Planck)
É impossível a construção de um dispositivo que, por si só, isto é, sem a
intervenção do meio exterior, consiga transformar integralmente em trabalho o
calor absorvido de uma fonte a uma dada temperatura uniforme.
2a LEI DA TERMODINÂMICA
Enunciado de Kelvin-Planck
2a LEI DA
TERMODINÂMICA:
η < 100%
DEGRADAÇÃO
DA
ENERGIA!
2a LEI DA TERMODINÂMICA
É impossível a construção de um dispositivo que, por si só, isto é,
sem a intervenção do meio exterior, consiga transferir calor de um
corpo (fonte) para outro à temperatura mais elevada.
(Enunciado de Clausius)
2a LEI DA TERMODINÂMICA
Enunciado de Clausius
CALOR → TRABALHO
TRABALHO → CALOR
CICLO DE CARNOT
MÁXIMO RENDIMENTO (TEÓRICO)
p
V
EXPANSÃO ISOTÉRMICA
EXPANSÃO ADIABÁTICA
CONTRAÇÃO ADIABÁTICA
CONTRAÇÃO ISOTÉRMICA
CICLO DE CARNOT
𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸
=𝑄𝐹𝑅𝐼𝐴
𝑄𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸
η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 1 −𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴
𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸η = 1 −
𝑄𝐹𝑅𝐼𝐴𝑄𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸
(GERAL)
η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 1 −𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴
𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸(MÁXIMO)
2ª Lei da Termodinâmica
Lembrando que:
𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸
=𝑄𝐹𝑅𝐼𝐴
𝑄𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸
𝑒𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 =𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴
𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸 − 𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴
Mas e a 2ª Lei da Termodinâmica?
Se TFria = 0K: 0
1 = 100%
O ZERO ABSOLUTO É
INATINGÍVEL!
CICLO DE OTTO
MOTOR A
EXPLOSÃO
DE QUATRO
TEMPOS
10 TEMPO – ADMISSÃO: o pistão desce enquanto a válvula de admissão se abre, e desse
modo uma mistura de ar e vapor de combustível é aspirada para dentro do cilindro.
20 TEMPO – COMPRESSÃO: a válvula de admissão se fecha e o pistão sobe, comprimindo o
vapor e provocando um aumento de temperatura.
30 TEMPO – EXPLOSÃO: a vela emite uma faísca elétrica, provocando a explosão do
vapor. Isso gera aquecimento dos gases, aumentando a pressão, o que por sua vez produz
uma expansão empurrando o pistão para baixo.
40 TEMPO – EXPULSÃO: ocorre a abertura da válvula de escape enquanto o pistão sobe,
expulsando os gases queimados.
(UFSCAR) “Inglaterra, século XVIII. Hargreaves patenteia sua máquina de fiar; Arkwright inventa a fiandeira
hidráulica; James Watt introduz a importantíssima máquina a vapor. Tempos modernos!”
(C. Alencar, L. C. Ramalho e M. V. T. Ribeiro, História da Sociedade Brasileira.)
As máquinas a vapor, sendo máquinas térmicas reais, operam em ciclos de acordo com a segunda lei da
Termodinâmica. Sobre essas máquinas, considere as três afirmações seguintes.
I. Quando em funcionamento, rejeitam para a fonte fria parte do calor retirado da fonte quente.
II. No decorrer de um ciclo, a energia interna do vapor de água se mantém constante.
III. Transformam em trabalho todo calor recebido da fonte quente.
É correto o contido apenas em:
a) I
b) II
c) III
d) I e II
e) II e III
(UFPR) 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) Somente as afirmativas 1 e 2 são verdadeiras.
e) Somente as afirmativas 2 e 3 são verdadeiras.
(UNIOESTE) A termodinâmica sistematiza as leis empíricas sobre o
comportamento térmico dos corpos macroscópicos e obtém seus
conceitos diretamente dos experimentos. Tendo como base as leis da
termodinâmica, analise as seguintes proposições:
I. Uma transformação adiabática é aquela em que o sistema não
troca calor com a vizinhança. Então o trabalho realizado pelo sistema é
feito à custa da diminuição da energia interna do sistema.
II. Em uma máquina térmica a energia térmica é integralmente
transformada em trabalho.
III. É impossível a energia térmica fluir espontaneamente de um
sistema mais frio para um sistema mais quente.
IV. O ciclo de Carnot é um ciclo reversível ideal com o qual seria
possível obter o máximo rendimento.
Estão corretas
a) I e II
b) I e IV
c) III e IV
d) I, III e IV
e) Todas
(ENEM) A invenção da geladeira proporcionou uma
revolução no aproveitamento dos alimentos, ao permitir
que fossem armazenados e transportados por longos
períodos. A figura apresentada ilustra o processo cíclico
de funcionamento de uma geladeira, em que um gás no
interior de uma tubulação é forçado a circular entre o
congelador e a parte externa da geladeira. É por meio dos
processos de compressão, que ocorre na parte externa, e
de expansão, que ocorre na parte interna, que o gás
proporciona a troca de calor entre o interior e o exterior
da geladeira.
Nos processos de transformacao de energia envolvidos no funcionamento da
geladeira,
A) a expansão do gás é um processo que cede a energia necessária ao
resfriamento da parte interna da geladeira.
B) o calor flui de forma não-espontânea da parte mais fria, no interior, para a
mais quente, no exterior da geladeira.
C) a quantidade de calor cedida ao meio externo é igual ao calor retirado da
geladeira.
D) a eficiência é tanto maior quanto menos isolado termicamente do ambiente
externo for o seu compartimento interno.
E) a energia retirada do interior pode ser devolvida à geladeira abrindo-se a
sua porta, o que reduz seu consumo de energia.
(UFG) A figura a seguir representa o ciclo de Otto para motores a
combustão interna. Nesse tipo de motor, a vela de ignição gera uma faísca
que causa a combustão de uma mistura gasosa. Considere que a faísca seja
suficientemente rápida, de modo que o movimento do pistão possa ser
desprezado. A faísca e a liberação dos gases pelo escapamento ocorrem,
respectivamente, nos pontos
(A) A e C.
(B) B e A.
(C) D e A.
(D) D e B.
(E) O e C.
(UFSM) Um condicionador de ar, funcionando no verão, durante
certo intervalo de tempo, consome 1.600 cal de energia elétrica,
retira certa quantidade de energia do ambiente que está sendo
climatizado e rejeita 2.400 cal para o exterior. A eficiência desse
condicionador de ar é
a) 0,33
b) 0,50
c) 0,63
d) 1,50
e) 2,00
𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎 + τ
2400 = 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎 + 1600
𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎 = 800 𝑐𝑎𝑙
𝑒 =𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎τ
𝑒 =800
1600
𝑒 = 0,5
(VUNESP) Uma geladeira retira, por segundo, 1000 kcal do congelador, enviando para o
ambiente 1200 kcal. Considere 1 kcal = 4,2 kJ. A potência do compressor desse máquina
será:
a) 700 kW
b) 800 kW
c) 840 kW
d) 600 kW
e) 500 kW
𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎 + τ
1200 = 1000 + τ
τ = 200 𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑃 =τ
Δ𝑡
𝑃 =200.4,2
1
𝑃 = 840 𝑘𝑊
𝑊 =𝐽
𝑠
(UFAM) Um Físico, buscando economizar combustível construiu uma máquina térmica que
em cada ciclo absorve 5000 joules da fonte quente a uma temperatura de 600 K e, rejeita
3000 joules para a fonte fria. Sabendo que a máquina térmica tem um desempenho de 80%
da máquina de Carnot, a temperatura da fonte fria vale:
a) 120 K
b) 300 K
c) 480 K
d) 200 K
e) 400 K
η = 1 −𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒
η = 1 −3000
5000
η = 0,4
η = 0,8η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 1 −𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴
𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸
0,4 = 0,8η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇
η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 0,5
0,5 = 1 −𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴600
𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴 = 300 𝐾
(UFLA) Um engenheiro construiu uma máquina térmica que, operando em ciclos, retira 20000 J/s de
um reservatório quente a T1 = 1600 K e rejeita 4000 J/s para um reservatório frio a T2 = 400 K. A
equipe técnica de uma empresa encarregada de analisar o projeto dessa máquina térmica apresentou
as seguintes conclusões:
I. O rendimento teórico da máquina é 80%.
II. A potência teórica da referida máquina é 16000 W.
η = 1 −𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒
η = 1 −4000
20000η = 0,8
𝑃 =τ
Δ𝑡𝑃 =
16000
1𝑃 = 16000 𝑊
III. Como o rendimento teórico de uma máquina térmica de Carnot operando nas condições acima
especificadas é 75%, a máquina em questão é teoricamente inviável.
Assinale a alternativa CORRETA.
a) Somente as conclusões I e II são corretas.
b) As conclusões I, II e III estão corretas.
c) Somente as conclusões II e III são corretas.
d) Somente as conclusões I e III são corretas.
e) Somente a conclusão II é correta.
η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 1 −𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴
𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 1 −
400
1600η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 0,75
(IME) Considere uma máquina térmica operando em um ciclo termodinâmico. Esta máquina recebe 300 J de
uma fonte quente cuja temperatura é de 400 K e produz um trabalho de 150 J. Ao mesmo tempo, rejeita 150 J
para uma fonte fria que se encontra a 300 K. 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) motor térmico no qual a Primeira Lei é atendida, mas a Segunda Lei é violada.
τ = 𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 − 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎
η = 1 −𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒
η = 1 −150
300η = 0,5
η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 1 −𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴
𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 1 −
300
400η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 0,25
τ = 300 − 150
τ = 150 𝐽
(UNIMONTES MG) Uma máquina frigorífica ideal, que utiliza o ciclo de Carnot, possui um
compressor que realiza, em cada ciclo, trabalho igual a 3,7 × 104 J. Em seu funcionamento, a
máquina toma calor de uma fonte térmica a –10ºC e cede calor a outra fonte térmica a 17ºC.
Dado:
a) Qual a eficiência e da máquina, em cada ciclo?
b) Qual a quantidade de calor que se toma da fonte fria, a cada ciclo?
c) Qual a quantidade de calor cedido à fonte quente, a cada ciclo?
(UNIMONTES MG) Uma máquina frigorífica ideal, que utiliza o ciclo de Carnot, possui um
compressor que realiza, em cada ciclo, trabalho igual a 3,7 × 104 J. Em seu funcionamento, a
máquina toma calor de uma fonte térmica a –10ºC e cede calor a outra fonte térmica a 17ºC.
a) Qual a eficiência e da máquina, em cada ciclo?
𝑒𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 =𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴
𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸 − 𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴𝑒𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 =
263
290 − 263
263 K290 K
𝑒𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 9,74
(UNIMONTES MG) Uma máquina frigorífica ideal, que utiliza o ciclo de Carnot, possui um
compressor que realiza, em cada ciclo, trabalho igual a 3,7 × 104 J. Em seu funcionamento, a
máquina toma calor de uma fonte térmica a –10ºC e cede calor a outra fonte térmica a 17ºC.
a) Qual a eficiência e da máquina, em cada ciclo?
b) Qual a quantidade de calor que se toma da fonte fria, a cada ciclo?
𝑒 =𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎τ
9,74 =𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎3,7. 104
𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎 = 36. 104 𝐽
(UNIMONTES MG) Uma máquina frigorífica ideal, que utiliza o ciclo de Carnot, possui um
compressor que realiza, em cada ciclo, trabalho igual a 3,7 × 104 J. Em seu funcionamento, a
máquina toma calor de uma fonte térmica a –10ºC e cede calor a outra fonte térmica a 17ºC.
a) Qual a eficiência e da máquina, em cada ciclo?
b) Qual a quantidade de calor que se toma da fonte fria, a cada ciclo?
c) Qual a quantidade de calor cedido à fonte quente, a cada ciclo?
𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎 + τ 𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 36. 104 + 3,7. 104
𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 39,7. 104 𝐽