Centro Univerisitario de Joao Pessoa - Coordenacao de Engenharia Civil

Fısica Geral e Experimental II

Professor: Jose Jacinto Cruz de Souza Turma: A/P3 Data: 19/11/2013.

Aluno(a):.................................................................................Matricula:..................Aluno(a):.................................................................................Matricula:..................Aluno(a):.................................................................................Matricula:..................Aluno(a):.................................................................................Matricula:..................

3a Lista de Exercıcios

Leis da Termodinamica.

Q1. Um bloco volta a sua posicao inicial, depois dese mover dissipando energia por atrito. Por que esteprocesso nao e termicamente reversıvel?

Q2. De exemplos de processos em que a entropia deum sistema diminui, e explique por que a segundalei da termodinamica nao e violada.

Q3. O refrigerador mostrado na abaixo opera em re-gime permanente com um coeficiente de desempenhode 5, 0 em uma cozinha a 23◦C. O refrigerador re-jeita 4, 8kW por transferencia de calor para a vizi-nhancca a partir da serpentinas metaalicas localiza-das em seu exterior. Determine (a) a potencia deentrada, em kW. (b) a temperatura teorica miınimano interior do refrigerador, em K.

Q4. Para fazer gelo, um freezer extrai 42kcal de ca-

lor de um reservatorio a −12◦C em cada ciclo. Ocoeficiente de performance do freezer e 5,7 . A tem-peratura do ambiente e 26◦C. (a) Quanto calor, porciclo, e rejeitado para o ambiente? (b) Qual a quan-tidade de trabalho por ciclo necessaria para mantero freezer em funcionamento?

Q5. Num ciclo de Carnot, a expansao isotermicade um gas ideal acontece a 400K e a compressaoisotermica a 300K. Durante a expansao, 500cal decalor sao transferidas pelo gas. Calcule (a) o traba-lho realizado pelo gas durante a expansao termica;(b) o calor rejeitado pelo gas durante a compressaoisotermica e (c) o trabalho realizado pelo gas durantea compressao isotermica.

Q6. Uma bomba termica e usada para aquecer umedifıcio. Do lado de fora a temperatura e −5◦Ce dentro do edifıcio deve ser mantida a 22◦C. Ocoeficiente de performance e 3, 8 e a bomba injeta1, 8Mcal de calor no edifıcio por hora. A que taxadevemos realizar trabalho para manter a bomba ope-rando?

Q7. Um inventor afirma ter criado quatro maquinas,todas operando entre 400K e 300K. As carac-terısticas de cada maquina, por ciclo, sao as se-guintes: maquina (a), QH = 200J , QC = −175J ,W = 40J ; maquina (b) QH = 500J , QC = −200J ,W = 400J ; maquina (c), QH = 600J , QC = −200J ,W = 400J ; maquina (d) QH = 100J , QC = −90J ,

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W = 10J . Usando a primeira e segunda lei da ter-modinamica, verifique para cada maquina se algu-mas destas leis esta violada.

Q8. Suponha que a mesma quantidade de calor, porexemplo, 200J , e transferida por conducao de um re-servatorio a 400K para outro a (a) 100K, (b) 200K,(c) 300K e (d) 360K. Calcule a variacao de entropiaem cada caso.

Q9. Um cubo de gelo de 10g a −10◦C e colocadonum lago que esta a 15◦C. Calcule a variacao deentropia do sistema quando o cubo de gelo atingiro equilıbrio termico com o lago. O calor especıficodo gelo e 0, 5cal/g.◦C. (Sugestao: O cubo de geloafetara a temperatura do lago?)

Q10. Sao dadas algumas afirmativas relacionadas a2a Lei de Termodinamica. Analise-as e indique aalternativa correta.

I. Em uma maquina termica, a transformacao deenergia termica em trabalho sempre se da total-mente.II. O Calor flui espontaneamente de sistemas maisfrios para sistemas mais quentes.III. Carnot idealizou um ciclo totalmente reversıvelcom o qual se obteria o maximo rendimento possıvel.IV. A afirmacao originalmente elaborada por Car-not vale apenas para maquinas a vapor, as unicasexistentes em sua epoca.

(a) I e II sao verdadeiras.(b) II e III sao verdadeiras.(c) III e IV sao verdadeiras.(d) Somente I e verdadeira.(e) Somente III e verdadeira.

Q11. A otimizacao do rendimento real de maquinastermicas e um problema antigo de engenharia queremonta a epoca das primeiras maquinas a vapor.Uma turbina a vapor absorve 400000KW a 800◦C,enquanto sua fonte fria funciona a 27◦C, com umrendimento de 45%. Que melhoria em seu rendi-mento, em porcentagem, essa maquina teria, se umengenheiro fizesse com que ela funcionasse segundoum ciclo de Carnot?

Q12. Um cilindro provido de embolo movel contemgas no seu interior e acha-se imerso numa misturade gelo e agua, como ilustra a figura abaixo. Ogas e comprimido rapidamente, levando o embolo daposicao 1 para a posicao 2, onde ele e mantido ateque o gas atinja novamente a temperatura de 0◦C.Entao o embolo e vagarosamente levado de volta aposicao 1. O diagrama p-V demonstra esta trans-

formacao. Se 100g de gelo fundiram-se durante todoo ciclo, qual o trabalho realizado sobre o gas? Dados:Calor especıfico da agua: 1cal/g◦C. Calor especıficodo gelo: 0, 5cal/g◦C. Calor Latente de fusao da agua:80cal/g.

(a) 8 kcal. (b) 6 kcal. (c) 4 kcal. (d) 2 kcal.(e) impossıvel afirmar o valor do trabalho por nao seconhecer, analiticamente, as curvas que descrevem oprocesso.

Q13. A regiao do brejo paraibano e destaque nocenario nacional na producao aviaria. Apos o abate,os frangos destinados aos mercados consumidores saotransferidos para frigorıficos onde sao armazenadosa baixa temperatura e, posteriormente, transporta-dos. Um frigorıfico hipotetico, usado nesse tipo deindustria, consome, em uma hora, 500kJ de ener-gia eletrica e rejeita 750kJ para o ambiente externo.Para manter o frango a temperatura desejada, e ne-cessario retirar 10kJ de calor de cada frango, porhora. Considerando que toda a energia consumida etransformada em trabalho, qual o numero de frangosque pode ser armazenado no referido frigorıfico?

Q14. Todos os anos, diversos pedidos de patentes denovas maquinas sao rejeitados por violarem as Leisda Termodinamica. Em particular, o conceito deentropia e frequentemente o ponto central da falhados projetos dessas maquinas, o que demonstra aimportancia da entropia.

Considerando o conceito de entropia, identifique asafirmativas corretas:

I. A reversibilidade de um processo termodinamicoe uma consequencia do aumento da entropia.II. Alguns processos termodinamicos, mesmo quandoha conservacao da energia, nao sao possıveis, pois fa-zem a entropia do universo diminuir.III. A entropia e uma medida da desordem do sis-tema.IV. Quanto maior o numero de estados acessıveis a

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um sistema, maior sera a entropia desse sistema.V. De acordo com a segunda Lei da Termodinamica,a entropia de um sistema fechado nunca decresce.

Q15. A segunda lei da termodinamica pode serusada para avaliar propostas de construcao de equi-pamentos e verificar se o projeto e factıvel, ou seja,se e realmente possıvel de ser construıdo. Considerea situacao em que um inventor alega ter desenvol-vido um equipamento que trabalha segundo o ciclotermodinamico de potencia mostrado na figura. Oequipamento retira 800kJde energia, na forma de ca-lor, de um dado local que se encontra na temperaturade 1000K, desenvolve uma dada quantidade lıquidade trabalho para a elevacao de um peso e descarta300kJ de energia, na forma de calor, para outro localque se encontra a 500K de temperatura. A eficienciatermica do ciclo e dada pela equacao fornecida.

Nessa situacao, a alegacao do inventor e

(a) correta, pois a eficiencia de seu equipamento e de50% e e menor do que a eficiencia teorica maxima.(b) incorreta, pois a eficiencia de seu equipamento ede 50% e e maior do que a eficiencia teorica maxima.(c) correta, pois a eficiencia de seu equipamento e de62, 5% e e menor do que a eficiencia teorica maxima.(d) incorreta, pois a eficiencia de seu equipamentoe de 62, 5% e e maior do que a eficiencia teoricamaxima.(e) incorreta, pois a eficiencia de seu equipamentoe de 62, 5% e e menor do que a eficiencia teoricamaxima.