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Questões de Concurso sobre 2ª Lei da Termodinâmica - Ciclo de Carnot e Máquinas Térmicas
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Durante uma aula sobre a Segunda Lei da Termodinâmica, um professor propõe aos estudantes a análise do desempenho de um refrigerador utilizado no armazenamento de reagentes no laboratório da instituição. O equipamento opera com potência elétrica constante d 360 W e mantém o compartimento interno à temperatura de -3oC, rejeitando calor para o ambiente do laboratório, cuja temperatura é 27oC.
Para a análise, consideram-se dois cenários:
I. o refrigerador opera como um dispositivo reversível entre dois reservatórios térmicos ideais;
II. o coeficiente de desempenho do equipamento corresponde a 2/3 do valor máximo teoricamente possível (coeficiente de desempenho de Carnot) para as temperaturas envolvidas.
Admite-se regime estacionário, temperaturas constantes nos reservatórios térmicos e que toda a potência elétrica consumida seja convertida em trabalho mecânico do compressor. Considerando as temperaturas absolutas (em Kelvin) e um intervalo de 1,0 min de operação, assinale a alternativa correta que apresenta, respectivamente, a quantidade de calor retirada do compartimento interno (em ) nas situações I e II.
A
2,4 kJ e 1,6 kJ
B
2,4 kJ e 3,6 kJ
C
194,4 kJ e 129,6 kJ
D
216 kJ e 144 kJ
E
216 kJ e 151,2 kJ
O processo cíclico a seguir é representado pelo diagrama onde a entropia está como função da temperatura. Neste ciclo, as linhas horizontais são paralelas ao eixo da temperatura e as verticais são paralelas ao eixo da entropia.
Informe se é verdadeiro (V) ou falso (F) o que se afirma sobre o diagrama.
( ) De A para B o volume aumenta e o sistema absorve calor.
( ) De B para C o volume aumenta e o sistema não troca calor.
( ) De C para D o volume diminui e o sistema rejeita calor.
( ) De D para A o volume diminui e o processo é adiabático.
De acordo com as afirmações, a sequência correta é:
A
V, F, V, F.
B
F, V, F, V.
C
V, V, F, F.
D
F, F, V, V
E
V, V, V, V.
Considere que você está lecionando Termodinâmica para uma turma de Engenharia e deseja demonstrar formalmente que nenhuma máquina térmica operando entre duas fontes térmicas fixas pode apresentar rendimento superior ao de uma máquina reversível de Carnot.
Considere:
• 𝐓𝐇: a temperatura absoluta da fonte quente;
• 𝐓𝐂: a temperatura absoluta da fonte fria, com 𝑻𝑯 > 𝑻𝑪;
• 𝑸𝑯: o calor absorvido da fonte quente por uma máquina térmica;
• 𝑸𝑪: o calor rejeitado à fonte fria;
• 𝑾: o trabalho realizado pela máquina térmica;
• 𝜼 = QHW o rendimento da máquina térmica;
• 𝜼𝑪 = 𝟏 − THTC o rendimento de uma máquina reversível de Carnot operando entre as mesmas temperaturas.
Admita que uma máquina térmica genérica 𝐌 opere entre essas mesmas fontes com rendimento 𝛈 e suponha, por hipótese, que
𝛈 > 𝛈𝐂
Para demonstrar que essa hipótese conduz a uma contradição com a Segunda Lei da Termodinâmica, pode-se acoplar a máquina 𝑴 a um ciclo reversível de Carnot operando como refrigerador entre os mesmos reservatórios.
Assinale a alternativa que apresenta corretamente a estrutura lógica da demonstração de que o ciclo de Carnot possui rendimento máximo.
A
Se η > ηC, é possível ajustar o acoplamento entre a máquina M e um refrigerador reversível de Carnot de modo que o efeito líquido do conjunto seja a transferência de calor da fonte fria para a fonte quente sem trabalho externo líquido, violando o enunciado de Clausius da Segunda Lei.
B
Se η > ηC, a Primeira Lei da Termodinâmica seria violada, pois o trabalho produzido excederia o calor absorvido da fonte quente.
C
A hipótese η > ηC implica necessariamente que a entropia do universo permaneça constante, o que contraria a Segunda Lei.
D
O rendimento de Carnot é máximo porque o ciclo possui duas transformações isotérmicas, o que maximiza a área no diagrama pressão versus volume.
E
A suposição η > ηC apenas indicaria que a máquina M é irreversível com perdas internas menores, não implicando qualquer violação de princípio termodinâmico.
Em um laboratório de termodinâmica, um docente de Física propõe aos seus alunos a análise de um protótipo de máquina térmica que opera em regime cíclico utilizando gás hélio como substância de trabalho. O dispositivo realiza trocas de calor com dois reservatórios térmicos mantidos a temperaturas constantes de 27,0 °C (fonte fria) e 127 °C (fonte quente).
O ciclo operacional do protótipo é composto pelas seguintes etapas sucessivas:
1. uma expansão isotérmica em contato com a fonte quente;
2. uma expansão adiabática até que o gás atinja a temperatura da fonte fria;
3. uma compressão isotérmica em contato com a fonte fria;
4. uma compressão adiabática que retorna o gás ao seu estado inicial.
Com base nos princípios da Segunda Lei da Termodinâmica e considerando-se que o hélio se comporta como um gás ideal nas condições descritas, a fração máxima do calor absorvido da fonte quente que pode ser convertida em trabalho útil por essa máquina é de
Dado
0 K = -273 °C
A
21,3%
B
25,0%
C
75,0%
D
78,7%
E
100%
Define-se energia a capacidade de produzir trabalho. O comportamento da energia é definido por leis. Sobre as leis da termodinâmica, analisar os itens.
I. A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia pode se transformar de um tipo em outro, embora possa ser criada e destruída.
II. A segunda lei da termodinâmica pode ser enunciada de diversos modos, incluindo o seguinte: nenhum processo envolvendo uma transformação de energia ocorrerá espontaneamente, a menos que haja uma degradação de energia de uma forma concentrada para uma forma dispersa.
Está CORRETO o que se afirma:
A
Apenas no item I.
B
Apenas no item II.
C
Em nenhum dos itens.
D
Em ambos os itens.
Considerando a relação de Boltzmann S=k lnW, se o número de microestados acessíveis de um sistema isolado aumentar por um fator de e², onde e é a base do logaritmo neperiano, a variação de entropia ΔS será igual a:
A
k
B
k2
C
2k
D
e2k
Um ar-condicionado opera em um ciclo termodinâmico de refrigeração, transferindo calor de um ambiente interno (fonte fria) para o ambiente externo (fonte quente). O coeficiente de desempenho (COP) para refrigeração é definido como , em que é o calor removido da fonte fria e é o trabalho consumido pelo compressor. No ciclo, o aparelho transfere ao ambiente externo uma quantidade de calor , considerando que todo o sistema de compressão fica do lado de fora. Supondo que um fabricante afirme que seu aparelho possui COP = 4, ou seja, que, para cada 1 J de trabalho consumido, o aparelho retira 4 J de calor do ambiente interno, e com base nas leis da termodinâmica, assinale a alternativa correta:
A
O aparelho, como anunciado, viola a conservação de energia, pois retira mais calor do que a energia elétrica que consome.
B
Um COP igual a 4 (maior que 1) é possível, pois o calor rejeitado ao ambiente externo satisfaz a equação .
C
O coeficiente de desempenho nunca pode ser maior que 1, pois o calor retirado deve ser sempre menor que o trabalho realizado.
D
A entropia total do universo diminui durante o funcionamento do ar-condicionado, já que o calor é transferido do frio para o quente de forma organizada.
E
O calor rejeitado ao ambiente externo é exatamente igual ao trabalho realizado, independentemente do valor de .
A história dos combustíveis e das máquinas térmicas está intrinsecamente ligada à Revolução Industrial e às leis da termodinâmica. Sobre o funcionamento e a eficiência dessas máquinas, é correto afirmar que:
A
Elas são capazes de converter 100% do calor recebido de uma fonte quente em trabalho útil, sem perdas para o meio.
B
O ciclo de Carnot define o limite máximo de rendimento que uma máquina térmica pode atingir, operando apenas com uma fonte fria.
C
O trabalho realizado por uma máquina térmica é resultado da diferença entre o calor extraído da fonte quente e o calor rejeitado para a fonte fria.
D
O equilíbrio termodinâmico é atingido quando a máquina cessa a troca de calor, aumentando indefinidamente sua pressão interna.
E
A queima de combustíveis fósseis em motores de combustão interna elimina a necessidade de um sistema de exaustão de calor.
Dois recipientes isolados, A e B, estão conectados por uma válvula inicialmente fechada. O recipiente A contém 1,0 mol de hélio (He) e o recipiente B contém 3,0 mols de argônio (Ar), ambos à mesma temperatura T e pressão P.
Sabendo que VA = V e VB = 3V, determine a variação total de entropia após a abertura da válvula e a completa mistura.
A
ΔS=−2Rln3
B
ΔS=−4Rln4
C
ΔS=Rln(3/4)
D
ΔS=Rln(27/256)
E
ΔS=Rln(256/27)
Uma usina termoelétrica moderna opera com vapor de água superaquecido a uma temperatura de 500 °C (fonte quente) e é resfriada por um rio cujas águas estão a 20 °C (fonte fria). Em virtude de perdas inerentes ao projeto (atrito, condução de calor e irreversibilidades no ciclo), a eficiência real da usina é de 40%. Considerando os princípios da Termodinâmica e o conceito de entropia, analise a operação dessa usina para cada 1,0 kJ de calor absorvido da fonte quente e assinale a alternativa que descreve corretamente a situação.
A
A usina viola a Segunda Lei da Termodinâmica, pois seu rendimento de 40% é superior ao rendimento máximo teoricamente possível para essas temperaturas.
B
O processo é reversível, uma vez que a variação total da entropia do universo (sistema + fontes) é nula ao final de cada ciclo completo.
C
A usina opera dentro dos limites permitidos, e a variação da entropia do universo a cada ciclo é de aproximadamente +0,76 J/K, refletindo a irreversibilidade do processo real.
D
Se a usina operasse segundo um Ciclo de Carnot, ela seria capaz de converter integralmente os 1,0 kJ de calor em trabalho útil, mantendo a entropia do universo constante.
E
O trabalho desperdiçado por ciclo, devido às irreversibilidades, é de exatamente 600 J, valor que flui para a fonte fria sem possibilidade de recuperação.
As máquinas térmicas constituíram o ponto focal da primeira Revolução Industrial durante o final do século XIX e início do século XX, e, desde então, estão presentes em nosso dia a dia.
Considerando a Segunda Lei da Termodinâmica, é correto afirmar que uma máquina térmica
A
sempre realiza mais trabalho do que o calor retirado da fonte quente.
B
converte integralmente o calor extraído de uma fonte quente em trabalho mecânico, não desperdiçando energia.
C
tem sua eficiência independente das temperaturas das fontes quente e fria.
D
é aquela em que o calor flui espontaneamente da fonte fria para a fonte quente.
E
precisa eliminar parte da energia recebida para uma fonte fria para poder operar.
Uma máquina a vapor opera entre um reservatório quente a 373 K e outro frio a 273 K. A máquina, operando no ciclo de Carnot, absorve 100 J de energia do reservatório quente. O trabalho, em J, realizado por ciclo de operação da máquina é aproximadamente igual a
A
27.
B
91.
C
83.
D
67.
E
43.
Três máquinas térmicas recebem diferentes quantidades de energia de uma fonte quente e transformam parte dessa energia em trabalho mecânico útil. Os dados estão apresentados na tabela.
Considerando que o rendimento de uma máquina térmica é dado pela razão entre o trabalho útil realizado e a energia recebida, e sendo ηA , ηB e ηC os rendimentos das máquinas A, B e C, respectivamente, a relação correta entre esses rendimentos é
A
ηA<ηB=ηC .
B
ηA>ηB=ηC .
C
ηB<ηA=ηC .
D
ηB>ηA=ηC .
E
ηA<ηB<ηC .
Ao analisar o funcionamento de uma máquina térmica que opera segundo o ciclo idealizado por Carnot, observa-se que esse ciclo fechado e reversível é formado por:
A
três adiabáticas alternadas com uma isotérmica.
B
quatro transformações isotérmicas sucessivas.
C
duas transformações isobáricas e duas isocóricas.
D
uma expansão livre seguida de compressão adiabática.
E
duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas.
Um mol de gás ideal monoatômico passa pelo ciclo mostrado na figura abaixo. Assinale a alternativa que indica os valores corretos: do trabalho realizado quando o gás se expande de a até c pelo caminho abc; e da variação da energia interna em um ciclo completo, respectivamente.
A
4P1V1 e P1V1.
B
7P1V1 e 0.
C
3P1V1 e 0.
D
3P1V1 e 6P1V1.
E
0 e 7P1V1.
Examine a figura abaixo.
A figura acima representa as transformações termodinâmicas de um gás ideal que opera como substância de trabalho de uma certa máquina térmica ideal, no diagrama T-S (temperatura - entropia). Assim, coloque V (verdadeiro) ou F (falso) nas afirmativas abaixo, assinalando a seguir a opção correta.
( ) A área cinzenta representa o trabalho líquido realizado em um ciclo.
( ) O rendimento da máquina é igual a TB/TA .
( ) No processo 1->2 ocorre expansão do gás.
A
(V)(F)(V)
B
(V)(F)(F)
C
(F)(F)(F)
D
(F)(V)(V)
E
(V)(V)(V)
Considerando as máquinas térmicas na história dos povos ocidentais, assinale a alternativa CORRETA.
A
A máquina de Watt destacou-se pelo seu aumento de rendimento e funcionava com grandes quantidades de energia.
B
A primeira máquina a vapor construída por Sarvery foi concebida para a elevação de pesos e a geração de movimento contínuo.
C
A máquina a vapor de Sarvery foi considerada comercialmente viável, pois apesar de funcionar com alta pressão, consumia uma pequena quantidade de energia.
D
A máquina conhecida como eolípela de Heron produzia movimento a partir da pressão do vapor.
E
Carnot apresentou um modelo de funcionamento para as máquinas, em que o importante era o fluxo de calor entre pontos com mesmas temperaturas.
Uma máquina térmica opera com 20% de eficiência, realizando 400 J de trabalho por ciclo. A fonte quente está a 500 K e a fria a 300 K. Qual a variação total de entropia do universo por ciclo?
A
1,33 J/K
B
−0,80 J/K
C
0,80 J/K
D
1,33 J/K
E
2,00 J/K
Analise as afirmativas abaixo sobre o funcionamento de uma máquina térmica e assinale a alternativa correta.
I. Uma máquina térmica diminui a entropia do universo gerando uma quantidade igual de calor e trabalho.
II. Teoricamente, a eficiência da máquina térmica de Carnot poderia chegar a 100% se a temperatura da fonte fria fosse 0 K.
III. Uma máquina térmica realiza trabalho e gera uma quantidade igual de calor em um processo cíclico.
IV. A eficiência de uma máquina irreversível normalmente é menor que a de uma máquina reversível operando nas mesmas condições.
V. A eficiência da máquina térmica de Carnot depende apenas da temperatura da fonte quente.
A
Somente as afirmativas I, II e V estão corretas.
B
Somente as afirmativas III e V estão corretas.
C
Somente as afirmativas I e IV estão corretas.
D
Somente as afirmativas II e III estão corretas.
E
Somente as afirmativas II e IV estão corretas.
Em uma planta petroquímica, técnicos analisam o comportamento de uma máquina térmica experimental que opera em regime permanente sob um ciclo termodinâmico fechado. O relatório técnico indica que o sistema recebe uma carga térmica ( ) de 400 kW a partir de uma fonte quente mantida a uma temperatura constante de 800 K, rejeita calor ( ) para um corpo refrigerante a 300 K e produz uma potência líquida de trabalho ( ) equivalente a 260 kW. Considerando as leis fundamentais da termodinâmica clássica e os limites de conversão de energia, assinale a alternativa que apresenta a correta avaliação da consistência física desse ciclo.
A
O ciclo viola a Segunda Lei da Termodinâmica, pois sua eficiência térmica calculada é superior à eficiência máxima teórica permitida pelo limite de Carnot.
B
O ciclo viola a Primeira Lei da Termodinâmica, uma vez que a taxa de calor rejeitado para a fonte fria supera o balanço de entalpia global.
C
O ciclo é fisicamente possível e reversível, violando apenas restrições geométricas secundárias de escoamento nos trocadores de calor.
D
O ciclo é impossível porque nenhum sistema termodinâmico real pode operar em regime permanente rejeitando calor a uma temperatura inferior a 298 K.
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