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Exercícios sobre máquinas térmicas

Exercícios de Física

A utilização das máquinas térmicas proporcionou a Primeira Revolução Industrial. Estes exercícios testarão seus conhecimentos sobre o funcionamento de tais máquinas. Publicado por: Joab Silas da Silva Júnior
questão 1

(ITA) Uma máquina térmica opera segundo o ciclo JKLMJ mostrado no diagrama T-S da figura.

Pode-se afirmar que

a) processo JK corresponde a uma compressão isotérmica.

b) o trabalho realizado pela máquina em um ciclo é W = (T2 – T1)(S2 – S1).

c) o rendimento da máquina é dado por η = 1 – T2/T1

d) durante o processo LM, uma quantidade de calor QLM = T1(S2 – S1) é absorvida pelo sistema.

e) outra máquina térmica que opere entre T2 e T1 poderia eventualmente possuir um rendimento maior que a desta.

questão 2

Uma máquina térmica que trabalha entre as temperaturas 27°C e 327°C possui 80% do rendimento ideal para uma máquina térmica. Se essa máquina recebe 1000 J da fonte quente, qual é o trabalho realizado por ela?

a) 400 J

b) 500 J

c) 350 J

d) 600 J

e) 250 J

questão 3

Determine o trabalho realizado por uma máquina de Carnot que recebe 2000 J de calor de uma fonte quente e trabalha sob as temperaturas de 400 K e 700 K.

a) 1000 J

b) 780 J

c) 800 J

d) 860 J

e) 560 J

questão 4

(CEFET-PR) O 2° princípio da Termodinâmica pode ser enunciado da seguinte forma: "É impossível construir uma máquina térmica operando em ciclos, cujo único efeito seja retirar calor de uma fonte e convertê-lo integralmente em trabalho." Por extensão, esse princípio nos leva a concluir que:

a) sempre se pode construir máquinas térmicas cujo rendimento seja 100%;

b) qualquer máquina térmica necessita apenas de uma fonte quente;

c) calor e trabalho não são grandezas homogêneas;

d) qualquer máquina térmica retira calor de uma fonte quente e rejeita parte desse calor para uma fonte fria;

e) somente com uma fonte fria, mantida sempre a 0°C, seria possível a uma certa máquina térmica converter integralmente calor em trabalho.

respostas
Questão 1

LETRA “B”

O gráfico dado na questão é de temperatura versus entropia e mostra um ciclo no sentido horário operado por uma máquina térmica.

A) ERRADO: No processo JK, há aumento de entropia (S2 > S1), o que indica que o sistema recebeu calor, logo, realizou trabalho.

B) CORRETO: O trabalho de um sistema cíclico é dado pela área da figura geométrica que forma o ciclo. Nesse caso, a área de um retângulo (base x altura).

c) ERRADO: A razão das temperaturas para o cálculo do rendimento é entre a menor e maior temperatura. Nesse caso, teríamos η = 1 – T1/T2 já que T1 < T2.

d) ERRADO: Durante o processo LM, há diminuição de entropia, o que indica perda de calor.

e) ERRADO: Outra máquina operando sob o mesmo ciclo realizaria o mesmo trabalho.

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Questão 2

LETRA “A”

Transformação de temperaturas: As temperaturas devem sempre estar expressas em K. Como TK = TC + 273, sendo TK a temperatura em Kelvin e TC a temperatura em °C, temos:

27 + 273 = 300 K

327 + 273 = 600 K

O rendimento ideal citado na questão refere-se ao ciclo de Carnot, logo, temos:

η I = 1 – T2/T1

Para essa equação, podemos escrever que:

η I = Rendimento ideal;

T2 = Temperatura da fonte fria;

T1 = Temperatura da fonte quente.

η I = 1 – 300/600

η I = 1 – 0,5

η I = 0,5

O rendimento real da máquina η R corresponde a 80% do rendimento ideal η I , logo:

η R = 80% η I

η R = 0,8. 0,5

η I =0,8 x 0,5

η I = 0,4 ou 40 %

Sendo o rendimento a razão entre o trabalho e o calor fornecido (Q1), temos:

η I = τ ÷ Q1

0,4 = τ ÷ 1000

τ = 400 J

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Questão 3

LETRA “D”

A partir do rendimento para uma máquina de Carnot, temos:

η = 1 – T2/T1

η = 1 – 400/700

η = 1 – 0,57

η = 0,43 ou 43 %

Sendo o rendimento a razão entre o trabalho e o calor fornecido (Q1), temos:

η = τ ÷ Q1

0,43 = τ ÷ 2000

τ = 2000. 0,43 = 860 J

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Questão 4

LETRA “D”

Qualquer máquina térmica, ao receber calor, executa a sua função (trabalho) e perde calor para uma fonte fria.

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