Questões de Concurso sobre 2ª Lei da Termodinâmica - Ciclo de Carnot e Máquinas Térmicas

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 -3^oC, rejeitando calor para o ambiente do laboratório, cuja temperatura é 27^oC.

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.

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:

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:

• 𝐓_𝐇: a temperatura absoluta da fonte quente;

• 𝐓_𝐂: a temperatura absoluta da fonte fria, com 𝑻_𝑯 > 𝑻_𝑪;

• 𝑸_𝑯: o calor absorvido da fonte quente por uma máquina térmica;

• 𝑸_𝑪: o calor rejeitado à fonte fria;

• 𝑾: o trabalho realizado pela máquina térmica;

• 𝜼 = $\frac{W}{Q_H}$ o rendimento da máquina térmica;

• 𝜼𝑪 = 𝟏 − $\frac{{\mathbf{T}}_C}{T_H}$ 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 > 𝛈_𝐂

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.

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

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:

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 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:

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.

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.

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

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

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 ${\eta }_A$ , ${\eta }_B$ e ${\eta }_C$ os rendimentos das máquinas A, B e C, respectivamente, a relação correta entre esses rendimentos é

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.

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 T_B/T_A .

( ) No processo 1->2 ocorre expansão do gás.

Considerando as máquinas térmicas na história dos povos ocidentais, assinale a alternativa CORRETA.

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.

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?