Transformações cíclicas
1. A Física e o cotidiano
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| Existe algum limite para o rendimento de uma máquina térmica? |
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2. A Física e o mundo
Que processos termodinâmicos são globalizados na natureza?
A energia solar incidente na Terra é refletida em 30% pela atmosfera e pelas nuvens. Os 70% que restam aquecem a superfície terrestre, o vapor-d’água e a poeira das camadas inferiores da atmosfera e da água nas nuvens.
A quantidade de calor absorvida pela superfície terrestre corresponde a um aquecimento não uniforme. A formação do vento se deve justamente a esse aquecimento desigual. A massa de ar que está mais quente que as massas vizinhas se expande, produzindo uma região de baixa pressão; as massas de ar vizinhas, mais frias e de maior pressão, movimentam-se horizontalmente, produzindo os ventos.
... e se a atmosfera fosse uma Máquina de Carnot?
3. A Física e o laboratório
Como simular a construção de uma turbina a vapor utilizada nas usinas termoelétricas, nucleares e nos motores de navios e submarinos?
A turbina a vapor transforma a energia mecânica, utilizando uma substância de operação, em geral a água, que, no processo, muda do estado líquido para o vapor e vice-versa.
Não se deve confundir a turbina a vapor com o motor a vapor, que movimenta as antigas locomotivas, as marias-fumaça, ou com a turbina a jato, que impulsiona aviões. Na primeira, o vapor empurra um pistão (3,0atm e rendimento de 10%), como no motor a gasolina; na segunda, são os gases da combustão (30atm e rendimento de 40%) que impelem a turbina sugadora de ar e a impulsionadora da aeronave.
4. A Física e a evolução de seus conceitos
Trabalho de um sistema num ciclo (transformação fechada)
Consideremos um sistema per correndo o ciclo indica do no gráfico a seguir, saindo de (1), indo para (2) e voltando ao estado (1). Analisaremos o trabalho do sistema em cada uma das transformações e, em seguida, no ciclo.
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Transformação de (1) para (2)
Nesta transformação, o sistema realiza trabalho (volume aumenta); o trabalho é dado, numericamente, pela área A1.
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Transformação de (2) para (1)
Nesta transformação, o sistema recebe trabalho (volume diminui); o trabalho é dado, numericamente, pela área A2.
Ciclo fechado
Ao percorrer o ciclo, o sistema realiza o trabalho A1 e recebe de volta o trabalho A2. Portanto, o saldo de trabalho trocado pelo sistema com o meio, ao percorrer o ciclo, é dado pela área A = A1 – A2 interna ao ciclo.
Assim:
| τciclo= Asistema |
| (numericamente) |
Observemos que
– Se o ciclo é percorrido no sentido horário (como o da figura), A1 é maior que A2 e o sistema realiza trabalho ao percorrer o ciclo;
– Se o ciclo é percorrido no sentido anti-horário (ao contrário do da figura), A1 é menor que A2 e o sistema recebe trabalho ao percorrer o ciclo.
Resumindo:
| Sentido horário ⇔ sistema realiza trabalho (τ > 0) Sentido anti-horário ⇔ sistema recebe trabalho (τ < 0) |
Variação da energia interna do ciclo (ΔUciclo)
Quando o sistema descreve um ciclo, a energia interna U varia, mas o valor final é igual ao inicial. Portanto:
DUciclo = Ufinal – Uinicial
| DUciclo= 0 |
| A variação da energia interna de um ciclo é nula. |
Máquina térmica
Se a máquina térmica, ao funcionar, obedece ao Ciclo de Carnot (duas isotermas e duas adiabáticas), então ela é denominada Máquina de Carnot e vale a relação:
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TF ® temperatura absoluta da fonte fria.
TQ ® temperatura absoluta da fonte quente.
A Máquina de Carnot, apesar de ser teórica, é aquela que apresenta o máximo rendimento possível entre suas fontes térmicas de temperaturas fixas.
Exercícios Propostos
1. (UEMS) – Com relação à 2a lei da termo dinâmica, pode-se afirmar que:
I. O calor de um corpo com temperatura T1 passa espontaneamente para outro corpo com temperatura T2 se T2 > T1.
II. Uma máquina térmica operando em ciclos pode retirar calor de uma fonte e convertê-lo integralmente em trabalho.
III. Uma máquina térmica operando em ciclos entre duas fontes térmicas, uma quente e outra fria, converte parte do calor retirado da fonte quente em trabalho e o restante envia para a fonte fria.
Assinale a alternativa que apresenta a(s) afirmativa(s) correta(s).
a) I
b) II
c) III
d) I e II
e) I e III
2. O Ciclo de Carnot é constituído de duas transformações isotérmicas a temperaturas T1 e T2 e duas transformações adiabáticas. Considere o diagrama P x V abaixo e o sentido do ciclo ABCDA.
É correto afirmar:
a) As variações da energia interna DU nos processos BC e DA são nulas.
b) As variações da energia interna DU nos processos AB e CD são nulas.
c) A temperatura associada ao processo isotérmico AB é menor do que a temperatura associada ao processo isotérmico CD.
d) Ao final do ciclo ABCDA, o trabalho realizado é igual à variação da energia interna DU de ciclo.
3. (MODELO ENEM) – A partir dos estudos da Termodinâmica, no final do século XVIII, a evolução dos motores de combustão interna tem sido enorme. O gráfico a seguir evidencia como, ao longo do tempo, a eficiência do Motor Otto (motor de 4 tempos) vem aumentando, e projeta-se que chegue a quase 45% no ano 2020.
| Evolução da eficiência do motor Otto | |
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 | Observado |
 | Ajustado |
Se considerarmos um Ciclo de Carnot entre a temperatura de combustão adiabática da gasolina igual a 2300K e a temperatura de trabalho admissível para o aço como sendo de 925K, qual o valor de rendimento esperado?
a) 48%
b) 60%
c) 70%
d) 80%
e) 90%
4. (ENEM) – No Brasil, o sistema de transporte depende do uso de combustíveis fósseis e de biomassa, cuja energia é convertida em movimento de veículos. Para esses combustíveis, a transformação de energia química em energia mecânica acontece
a) na combustão, que gera gases quentes para mover os pistões no motor.
b) nos eixos, que transferem torque às rodas e impulsionam o veículo.
c) na ignição, quando a energia elétrica é convertida em trabalho.
d) na exaustão, quando gases quentes são expelidos para trás.
e) na carburação, com a difusão do combustível no ar.
5. (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, o qual ocorre na parte externa, e de expansão, o qual ocorre na parte interna, que o gás proporciona a troca de calor entre o interior e o exterior da geladeira.
Disponível em: <http://home.howstuffworks.com>.
Acesso em: 24 julho. 2020 (adaptado).
Nos processos de transformação 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.
Gabarito
1. RESOLUÇÃO:
I) FALSA
A passagem espontânea do calor ocorre sempre do corpo de
MAIOR temperatura para o de MENOR temperatura.
II) FALSA
NUNCA todo o calor retirado de uma fonte quente pode ser integralmente transformado em trabalho. SEMPRE vamos ter parte dessa energia sendo transferida para uma fonte fria.
III) CORRETA
A 2a lei da termodinâmica assegura que, da energia retirada da fonte quente, uma parte se transforma em trabalho e o restante é transferido para uma fonte fria.
Resposta: C
2. RESOLUÇÃO:
No diagrama, observamos um Ciclo de Carnot, constituído por duas isotermas (T1 > T2) e duas adiabáticas (DA e BC).
a) ERRADO.
De B para C (adiabática), a temperatura do sistema diminui. De
D para A (adiabática), a temperatura aumenta. Assim, existe variação não nula da energia interna.
b) CORRETO.
As transformações AB e CD são isotérmicas, sem variação de temperatura e de energia interna.
c) ERRADO.
A isoterma AB, mais afastada dos eixos, representa uma temperatura maior do que a da isoterma CD (T1 > T2).
d) ERRADO.
Num ciclo, o trabalho é determinado pela área interna. A variação de energia interna é sempre nula (DUciclo = 0) já que as temperaturas inicial e final são sempre iguais.
Resposta: B
3. RESOLUÇÃO:
Cálculo de rendimento para um Ciclo de Carnot:
h = 0,60 ou h (%) = 60%
Resposta: B
4. Resolução:
Os combustíveis armazenam energia potencial química. Na combustão, a energia química é liberada e os gases formados aplicam forças nos pistões do motor, as quais realizam trabalho, usado para movimentar o veículo (produção de energia mecânica).
Resposta: A
5. Resolução:
A retirada do calor da fonte fria para a fonte quente por meio da realização de trabalho pelo compressor (processo não espontâneo) explica o funcionamento da geladeira.
Resposta: B
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