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Este arquivo faz parte do banco de materiais do Blog Física no Enem: http://fisicanoenem.blogspot.com/ . A ideia é aumentar este banco, aos poucos e na medida do possível. Para isto, querendo ajudar, se houver erros, avise-nos: serão corrigidos. Lembre-se que em Word costumam ocorrer problemas de formatação. Se quiser contribuir ainda mais para o banco, envie a sua contribuição, em Word, o mais detalhada possível para ser capaz de Ensinar a quem precisa Aprender. Ela será disponibilizada também, com a devida referência ao autor. Pode ser uma questão resolvida, uma apostila, uma aula em PowerPoint, o link de onde você a colocou, se já estiver na rede. Comente à vontade no blog. Afinal, é justamente assim que ensinamos a nossos alunos.

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  • 1. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 1 QUESTÕES CORRIGIDAS TERMODINÂMICA 1. (UFVJM – 2006) Uma bomba de encher pneus de bicicleta é acionada rapidamente, tendo a extremidade de saída do ar vedada. Consequentemente, o ar é comprimido, indo do estado 1 para o estado 2, conforme mostram as figuras a seguir. Nessas condições, é CORRETO afirmar que a transformação termodinâmica verificada na passagem do estado 1 para o estado 2 aproxima-se mais de uma A) isotérmica, porque a temperatura do ar não se altera. B) adiabática, porque praticamente não há troca de calor do ar com o meio exterior. C) isobárica, porque a pressão do ar não se altera. D) isométrica, porque o volume do ar se mantém. CORREÇÃO Há tempos uso este exemplo em sala de aula e recomendo que os alunos façam em casa, parasentir o fenômeno. Pela figura, é claro que o volume mudou, e intuitivamente, a pressão também. Fisicamente, a temperatura aumenta, pois trabalho foi realizado sobre o gás, e não houvetempo para trocas de calor. 1ª Lei da Termodinâmica: ∆U = Q – T, e, como foi “rápido”, não trocacalor ⇒ ∆U = – T. A rapidez caracteriza as transformações ADIABÁTICAS. OPÇÃO: B. 2. (UFOP) As figuras seguintes mostram os esquemas de três máquinas térmicas, sendo T1 a temperatura da fonte fria, T2 a temperatura da fonte quente, Q1 e Q2 os módulos das quantidades de calor transferidas entre as fontes e a máquina, e W o módulo do trabalho. http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 2. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 2 Afirma-se que: I. O esquema A representa uma máquina possível e o trabalho que ela realiza é W = Q2 – Q1. II. O esquema B representa uma máquina possível e o trabalho que ela realiza é W = Q2. III. O esquema C representa um refrigerador possível e o trabalho absorvido por ele é W = Q2 – Q1. Assinale a opção CORRETA: a) Apenas I é verdadeira b) Apenas I e II são verdadeiras. c) Apenas II e III são verdadeiras. d) Apenas I e III são verdadeiras. CORREÇÃOI – CERTO. A máquina retira calor 2, usa parte no trabalho W e rejeita o calor 1.II – ERRADO. Nem todo o calor pode ser aproveitado como trabalho.III – CERTO. Com a ajuda de trabalho W, o refrigerador retira calor 1 e rejeita para omeio externo o calor 2. OPÇÃO: D. 3. Observe no gráfico abaixo a representação do funcionamento de um dispositivo térmico. Pressão Volume Observando o gráfico, RESPONDA: é uma máquina térmica ou um refrigerador? http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 3. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 3 CORREÇÃO Trata-se de um refrigerador, pois o ciclo ocorre no sentido horário. 4. (UFMG/2006) (Constituída de dois itens.) Pretendendo instalar um aquecedor em seu quarto, Daniel solicitou a dois engenheiros. Alberto Pedrosa e Nilton Macieira . fazerem, cada um, um projeto de um sistema de aquecimento em que se estabelecesse uma corrente de 10 A, quando ligado a uma rede elétrica de 220 V. O engenheiro Pedrosa propôs a instalação de uma resistência que, ligada à rede elétrica, aqueceria o quarto por efeito Joule. Considere que o quarto de Daniel tem uma capacidade térmica de 1,1 x 105 J/oC. 1. Com base nessas informações, CALCULE o tempo mínimo necessário para que oaquecedor projetado por Pedrosa aumente de 5,0 ºC a temperatura do quarto. Por sua vez, o engenheiro Macieira propôs a instalação, no quarto de Daniel, de uma bomba de calor, cujo funcionamento é semelhante ao de um aparelho de ar condicionado ligado ao contrário. Dessa forma, o trabalho realizado pelo compressor do aparelho é utilizado para retirar calor da parte externa e fornecer calor à parte interna do quarto. Considere que o compressor converte em trabalho toda a energia elétrica fornecida à bomba de calor. Com base nessas informações, 2. RESPONDA: O sistema proposto por Macieira aquece o quarto mais rapidamente que o sistema proposto por Pedrosa? JUSTIFIQUE sua resposta. CORREÇÃO Muito interessante! Enquanto a primeira parte aborda cálculos da eletricidade e termodinâmica,a segunda leva o aluno a pensar, e bem! Efeito Joule é a dissipação de calor por uma resistência percorrida por corrente. Este calorserá usado no aquecimento, que será mais fácil ou mais difícil de acordo com a Capacidade Térmica. Energia Vamos utilizar várias fórmulas: P = V.i, P=potência, V=”voltagem” e i=corrente; P = ; tempo QC= , C=capacidade térmica, Q=calor(energia) e ∆t=variação de temperatura. ∆t 5 E E C.∆t 1,1.10 .5 2 P = = V .i ⇒ t = , masQ = C.∆t ⇒ t = = = 2,5.10 s t V .i V .i 220.10 Como toda prova de Física, e não de Matemática, os números são escolhidos a dedo! http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 4. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 4 Agora precisamos compreender bem aTermodinâmica! O sistema proposto tem o mesmo FONTE QUENTEprincípio de uma geladeira comum. Seria (QUARTO)equivalente a usar a parte de trás da geladeira,aquela que muita gente utiliza para secar meias nosdias de chuva, como aquecedor! Façamos um Q2esqueminha, lembrando que a geladeira é umaMáquina Térmica funcionando ao contrário: COMPRESSOR (TRABALHO) Calor é retirado do ambiente, pelo ζTrabalho do compressor, e entregue no Q1quarto. Pelo esquema: Q2 = ζ + Q1 . Pelo enunciado, TODA a eletricidadegasta é utilizada em Trabalho, sem perdas!Assim, gastando a mesma eletricidade, FONTE FRIAeste sistema entrega ao quarto mais calor (AMBIENTE(ζ + Q 1) do que o anterior, que entregava EXTERNO)somente a potência elétrica (ζ) convertida emcalor por Efeito Joule! Muito boa a pergunta! Não me lembro de tê-la feito anteriormente. Leva o aluno a pensar, ecobra um conhecimento Físico mais elaborado! Com certeza, muita gente errou esta questão, ou respondeu certo, mas justificando de maneiraerrada! 5. (UFVJM/2007) Tendo-se uma amostra de gás ideal em expansão isotérmica, é CORRETO afirmar que A) o trabalho realizado pelo gás é igual à variação de sua energia interna. B) o trabalho realizado pelo gás é igual ao calor absorvido pelo mesmo. C) o calor absorvido pelo gás é nulo. D) a energia cinética média das moléculas do gás aumenta. CORREÇÃO Tratando dos Gases e da 1a Lei da Termodinâmica, mas como não trouxe desenho ficatotalmente teórica e meio sem graça. Vamos à lei:∆U = Q – τ, onde ∆U é a variação da energia interna (ligada à temperatura absoluta)(J, cal), Qo calor (trocado entre o gás e o meio a sua volta) (J, cal) e τ o Trabalho (ligado à variação devolume) (J, cal). Para uma transformação Isotérmica ⇒ Tfinal = Tinicial ⇒ ∆U = UF - Ui ≈ TF - Ti = 0. Então: 0=Q–τ ⇒ τ = Q . O trabalho realizado é igual ao calor recebido. OPÇÃO: B. http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 5. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 5 6. Uma certa amostra gasosa recebe 500 cal de calor trocado com o meio externo e realiza um trabalho igual a 200 cal. A variação de sua energia interna será igual a: a) 300 cal. b) 700 cal. c) 2,5 cal. d) 0,4 cal. CORREÇÃO1ª Lei da Termodinâmica: ∆U = Q – τ ⇒ ∆U = 500 – 200 = 300 cal. OPÇÃO: A. 7. A figura abaixo representa um esquema de uma geladeira. Site http://netfisicaonline.com/geladeira.html em 01/06/2008.Marque entre as opções abaixo aquela que representa corretamente o funcionamentoda geladeira. http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 6. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 6 a) No interior da geladeira, o motor elétrico retira calor dos alimentos e o gás que circula bombeia o calor para fora. b) A geladeira é uma máquina térmica funcionando ao contrário, retirando calor da fonte fria através da realização de trabalho externo do motor e liberando calor para fonte quente, o ambiente externo. c) O calor dos alimentos flui através do gás e o motor obriga o calor recolhido a expandir-se, liberando-o na parte traseira. d) O calor passa naturalmente dos alimentos para um gás apropriado, capaz de atraí-lo, e o mesmo gás, pela ação do motor, repele o calor para o lado de fora da geladeira. CORREÇÃODe fato, a geladeira é uma máquina térmica ao contrário, como diz a letra B. As outrasopções não têm nenhum fundamento físico. OPÇÃO: B. 8. Explique a convenção de sinais quando calculamos o trabalho realizado por um gás ou sobre um gás. CORREÇÃOO trabalho realizado pelo gás durante a expansão é positivo e realizado sobre o gásdurante a compressão é negativo. 9. (UFOP/1o 2008) Considerando-se um gás ideal, assinale a alternativa incorreta.A) O trabalho realizado em uma transformação isovolumétrica é nulo.B) O calor específico molar sob pressão constante é maior que o calor específico molar a volumeconstante.C) Em uma transformação adiabática, o calor trocado entre um sistema e sua vizinhança é nulo.D) Em um processo sob pressão constante, o produto da pressão P pelo volume V se mantémconstante. CORREÇÃO http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 7. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 7 Gases e Termodinâmica. a) CERTA. Um gás só realiza trabalho quando seu volume varia. Aliás, o Trabalho de um gás é dado pela área do gráfico Pressão versus Volume. Veja. P (Pa) P (Pa) τ V (m3) V (m3)Observe que, à esquerda, numa transformação Isobárica, a área é a do retângulo, que dá oTrabalho τ . À direita, na Isovolumétrica (ou Isocórica) não existe área sob a reta. b) CERTA. Não gosto sequer de comentar estes conceitos em sala no Ensino Médio, por absoluta falta de necessidade! Calor específico molar é o mesmo que Calor Específico, grandeza que mede a facilidade ou dificuldade de se esquentar ou se esfriar uma substância. Quanto maior o calor específico, mais difícil de se esquentar: quer dizer, tem que se gastar mais calor para se esquentá-la. A diferença do molar é que ele é válido para um mol de gás, só isso. Agora, ilustremos o caso Isobárico e o Isovulumétrico. A figura á esquerda foi retirada da prova da UFMG/2002. Ela mostra um gás preso com êmbolo móvel, mantendo a Pressão constante. A figura da direita, tirada do images.google mostra um aerosol. Se você não apertar a válvula, lá dentro o gás mantém seu Volume constante. Conforme comentado o ítem anterior, numa transformação Isobárica, o gás pode realizar trabalho, e na isovolumétrica não. Vejamos a Primeira lei da Termodinâmica. ∆U = Q −τEla nos informa que a variação da energia interna ∆U depende do calor Q trocado e do Trabalho τrealizado. Na isovolumétrica, como o gás não pode realizar trabalho, ao receber calor esquentamais – todo calor Q é transformado em aquecimento ∆U. Portanto, o calor específico é menor.Na isobárica, parte do calor é usada para trabalho – erguer o êmbolo – e, nesse caso, o gásesquente menos, tendo o calor específico maior, pois é mais difícil de esquentar. Só parte do calorQ é transformada em aquecimento ∆U, pois há o “– trabalho τ”. c) CERTA. É justamente a definição de Transformação Adiabática: é tão rápida que não dá tempo de trocar calor. http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 8. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 8 PV PVod) ERRADA! O primeiro gráfico acima mostra isto. Mas, usando Clapeyron: = o . Como a T To P V Po Vo pressão é constante, teríamos: = . Vemos que é a razão entre o volume e a T To temperatura (Kelvin) que se mantém constante, ou V α T . OPÇÃO: D.10. (UFMG/2009) Para estudar o comportamento de um gás, um professor montou o sistema representado nesta figura:Nesse sistema, um recipiente de volume V, dotado de um êmbolo e de um registro R, contém umgás que se comporta como um gás ideal. Um manômetro, que consiste em um tubo de vidro, emforma de U, que contém mercúrio, tem uma de suas extremidades conectada ao recipiente, porintermédio do registro R, e a outra extremidade aberta.Inicialmente, o registro está aberto e o gás está à pressão atmosférica p0 e à temperaturaambiente T0.Sejam d a densidade do mercúrio e he e hd a altura das colunas de mercúrio, nos ramos daesquerda e da direita do tubo, respectivamente.1. A partir de certo instante, o professor comprime o êmbolo, lentamente, para que o gás semantenha à temperatura ambiente, até reduzir à metade o volume ocupado, no recipiente, pelogás.Considerando essa situação, DETERMINE a diferença de altura (he - hd) entre as duas colunas demercúrio no tubo de vidro, em termos de p0, d e g.2. Em seguida, o professor fecha o registro R e puxa o êmbolo, rapidamente, até este retornar àposição inicial.Isso feito, ele abre o registro R e, ao mesmo tempo, observa o nível de cada uma das colunas demercúrio no tubo de vidro.Considerando essa nova situação, RESPONDA:A altura he é menor, igual ou maior que a altura hd?JUSTIFIQUE sua resposta. http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 9. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 9 CORREÇÃO A TERMODINÂMICA, enfocando o Comportamento dos Gases, que a UFMG tanto aborda.Logo, nenhuma surpresa. No item 1 temos uma Transformação Gasosa. Fácil de identificar, por sinal. Segundo o textoda questão, “o professor comprime o êmbolo, lentamente, para que o gás se mantenha à temperaturaambiente”. Manter-se na mesma temperatura, ambiente, em que estava implica numa TransformaçãoIsotérmica, na qual a temperatura permanece constante – como eu costuma tratar, = k). Logo, outrasduas variáveis de estado do gás se alteram: o volume, a que a questão se refere, e a pressão, queirá provocar a diferença de altura. No enunciado, temos que o volume se reduz à metade. Fiz uma figura para ilustrar. Patm he – hd = h Veja que pressionar o gás fez a coluna de mercúrio se deslocar para a esquerda em relação aonível de equilíbrio original, que deixei marcado. Podemos utilizar a Equação de Clapeyron que tratado comportamento dos gases, a famosa “puta veia”... PV=nRT. E, importante citar na resolução: como o gás está confinado, preso, o número de moles n PV PVopermanece constante. Então: = o . O produto pressãoxvolume / temperatura T Topermanece constante! Substituindo os dados, genéricos, fornecidos, calculamos a pressão atingidapelo gás: Vo P 2 = po Vo ⇒ P = p ⇒ P = 2 p . O que era esperado por um aluno que o o To To 2compreende bem as transformações: se o volume se reduz pela metade, a pressão dobra! Porém, a questão quer a diferença de altura! Marquei na figura, veja acima. Observe que ogás sustenta a pressão atmosférica (Po) mais a diferença de altura he – hd da coluna de mercúrio! Stevin nos ensina a calcular a pressão de um fluido numa profundidade qualquer: http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 10. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 10 P = Po + dhg . O termo dhg é a chamada pressão hidrostática, devida à diferença dealtura, neste caso, das colunas de mercúrio! E a pressão inicial po é a atmosférica. Claro, a altura h,então, é he – hd. Podemos usar o Teorema de Stevin e calcular a altura h diretamente na fórmula acima.Vamos lá... 2 po = po + dhg ⇒ 2 po − po = dhg ⇒ po po . po = dhg ⇒ h = ⇒ he − hd = dg dg Apesar da aparência, não é tão complicado quanto se parece. Quanto ao item 2, carece um cuidado maior. Pensando no contrário da transformação anterior,se o professor puxasse o êmbolo lentamente, mantendo o registro aberto e a temperatura constante,tudo voltaria ao início, com os mesmos valores de pressão, volume e temperatura. Mas, não foi o queele fez... Para começar, a próxima transformação ocorreu, segundo a questão, “rapidamente”, o quecaracteriza uma mudança Adiabática. Tão rápida que não dá tempo de trocar calor com o ambiente.Da 1a Lei da Termodinâmica, temos: ∆ = Q −τ U . Aqui, ∆U é a variação da energia interna,ligada à temperatura, o estado de agitação das partículas que compõem o gás; Q é o calor trocado, no caso zero; τ é o trabalho realizado pelo gás. Então: ∆ = 0 − =− U τ τ . Vemos que avariação da energia, ou seja, a temperatura do gás depende do trabalho realizado pelo gás. Caso se queira relacionar a Energia Interna com a Temperatura não com argumentos teóricos 3mas com a Teoria Cinética dos Gases tem-se: U= nRT . 2 Como o gás se expande, ele realiza um trabalho positivo. Na prática, quer dizer que quandoo professor puxa o êmbolo dando-lhe mais espaço ele gasta sua própria energia interna paraaumentar de volume e ocupá-lo. Logo, sua temperatura, fator importante, diminui em relação àtemperatura ambiente, que manteve até então. PV Como ele continua confinado e não vazou, a relação anterior, = constante , permanece Tvalendo. Já que o volume volta a ser V e concluímos que a temperatura diminui em relação àinicial, a pressão não pode ser a mesma que a inicial! A relação mostra que a pressão devediminuir para compensar a diminuição da temperatura: P ↓ V (o mesmo) = constante ! T↓ Chegando ao final dos argumentos, como a pressão final do gás vai ser menor do que a queele tinha antes e antes era a atmosférica, o gás fica com pressão menor que a atmosférica! http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 11. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 11Portanto, assim que o professor abrir o registro, sendo a pressão atmosférica maior, ela irá deslocar acoluna de mercúrio agora para a direita. Fiz novamente uma ilustração do caso. Assim, agora teremos he < hd . E foi mais complicado argumentar porque do que fazer a contado item 1! 11. (PUC-RS/2005) A temperatura de um gás é diretamente proporcional à energia cinética das suas partículas. Portanto, dois gases A e B, na mesma temperatura, cujas partículas tenham massas na proporção de mA/mB = 4/1, terão as energias cinéticas médias das suas partículas na proporção EcA/EcB igual a a) 1/4 b) 1/2 c) 1 d) 4 CORREÇÃO Problema interessante sobre a Teoria Cinética dos Gases. A questão fala sobrea proporcionalidade, e a equação completa envolve a constante de Boltzmann: 3EC = KT , ou EC α T . E aí a questão simplifica para os atentos: mesma 2temperatura ⇒ mesma Energia Cinética. Só isto... Independente da massa! Agora, algo que a questão não pergunta é o seguinte: tendo a mesma energiacinética e a massa de A sendo 4 vezes maior, e quanto à velocidade das partículas dogás A? Mas, é outra pergunta... http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 12. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 12 m.v 2 Aproveitando: EC = . Para ter a mesma cinética, as moléculas de A 2 v 2 4 m.( )devem ter ½ da velocidade de B. Veja porque: 2 . EC = 2 OPÇÃO: C. 12. (UFMG/94) Como conseqüência da compressão adiabática sofrida por um gás, pode-se afirmar quea) a densidade do gás aumenta, e sua temperatura diminui.b) a densidade do gás e sua temperatura diminuem.c) a densidade do gás aumenta, e sua temperatura permanece constante.d) a densidade do gás e sua temperatura aumentam. CORREÇÃO Aplicação da 1ª Lei da Termodinâmica, ∆U = Q – τ , e conhecimento sobre osignificado de Adibática. Significa que ocorre tão rápido que não dá tempo de trocarcalor. Sendo assim, Q = 0 e∆U = – τ . Sem tantaspreocupações com sinais,pense em termos de energia.Ao comprimir um gás, quemgasta energia é você. Comoa energia se conserva, eledeve ir para algum lugar, nocaso, o próprio gás! Suatemperatura aumenta. Agora,no decoreba, ao comprimir otrabalho é negativo. Menoscom menos da fórmula dámais, ∆U – ligado àtemperatura – vai aumentar. Veja o esqueminha com a compressão. Além disto, por ocupar menos volume, a densidade do gás aumenta. OPÇÃO: D. http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 13. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 13 13. (PUC-Camp/97) O esquema a seguir representa trocas de calor e realização de trabalho em uma máquina térmica. Os valores de T1 e Q1 não foram indicados mas deverão ser calculados durante a solução desta questão.Considerando os dados indicados no esquema, se essa máquina operasse segundo umciclo de Carnot, a temperatura T1 , da fonte quente, seria, em Kelvins, igual a a) 375 b) 400 c) 1200 d) 1500 CORREÇÃOEsquema tradicional da Máquina Térmica, utilizando o Calor Q1 da fonte quente pararealizar Trabalho τ e rejeitando calor Q2 para a chamada fonte fria. Fácil calcular ocalor rejeitado: retirou 4.000, aproveitou 800, sobram 3.200 J de energia ( Q2 +τ = Q1 ).Quanto ao rendimento, refere-se à parte do calor aproveitado: http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 14. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 14r= τ , mas τ = Q −Q ⇒r= Q1 − Q2 ⇒ 1 2 Q1 Q1 . Q1 Q2 Qr= − ⇒ r = 1− 2 Q1 Q1 Q1Porém, operando no Ciclo de Carnot, ele mostrou que o rendimento máximo será: T2r = 1− . Brincando de matemática básica: T1 4 75Q2 T2 3200 300 = ⇒ = ⇒ T1 = 375 K .Q1 T1 4000 T1 5 OPÇÃO: A. 14.Quando pressionamos um aerossol e o gás sai, sentimos um abaixamento na temperatura do frasco. Veja a figura. Este resfriamento é explicado pelas leis da Termodinâmica. Escolha entre as opções abaixo aquela que representa a melhor explicação para este fenômeno. a) O gás está sofrendo uma expansão rápida, ou seja, adiabática. Ao realizar trabalho para se expandir, ele gasta sua energia interna e isto se manifesta no abaixamento de sua temperatura. b) A abertura da válvula do aerossol permite a troca de calor com o ambiente. Calor do gás sai pela válvula, reduzindo sua temperatura. c) Ao apertarmos a válvula realizamos trabalho sobre o gás. De acordo com a 1ª Lei da Termodinâmica, este trabalho que realizamos tem o sinal positivo, que devido ao sinal negativo da equação, se traduz em um abaixamento de temperatura. d) A temperatura de um gás está relacionada ao número de moléculas que sua amostra possui. Abrindo a válvula e perdendo moléculas, o gás perde também temperatura. CORREÇÃOA saída do gás é rápida: adiabática. Sua expansão, para sair, se dá às custas de suaprópria energia interna, que se reduz. E esta está ligada à temperatura, que abaixa. OPÇÃO: A. http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 15. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 15 15. (UFVJM/2009) Analise estas afirmações. I. Um gás perfeito sofre uma transformação adiabática se, e somente se, for colocado em um recipiente de volume variável com paredes revestidas por material isolante térmico. II. Um gás perfeito, ao ganhar calor da vizinhança, apresenta um aumento em sua energia interna, que independe do trabalho realizado. III. Um gás perfeito, ao sofrer uma transformação cíclica, apresenta trabalho igual ao calor.Com base nessa análise, ASSINALE a alternativa que contém apenas afirmação correta. A) I e II B) II e III C) I D) III CORREÇÃOCada item... I. Errado. Adiabático significa tão rápido que não dá tempo de trocar calor. Lembre-se de que não há isolantes perfeitos. II. Errado. Temos a 1ª Lei da Termodinâmica, conhecimento fundamental: ∆U = Q - τ . A energia interna varia, sempre, dependendo do calor e do trabalho. III. CERTO. Veja um ciclo: o gás vai e volta ao ponto A, na mesma temperatura, logo ∆U = 0 e Q = τ. Pressão Volume OPÇÃO: D. 16. (UNIMONTES/2009) Uma máquina térmica ideal, operando sob o ciclo de Carnot, converte uma quantidade de energia igual a 800 J em trabalho útil, por ciclo. A máquina trabalha com fontes térmicas a 400 K e 500 K, denominadas fonte fria e fonte quente, respectivamente. Determine a quantidade de calor rejeitado à fonte fria.A) 4000 J.B) 1600 J.C) 800 J.D) 3200 J. http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 16. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 16 CORREÇÃO Q2 TComo Carnot demonstrou, o rendimento é dado por : r = 1 − = 1 − 2 . Então: Q1 T1 4 00 1r = 1− = = 20% . A outra conta é de cabeça... Se rendendo 20% a máquina 5 00 5aproveita 800 J, então está recebendo 4.000 J de calor!E, finalmente, destes 4.000, desperdiça 3.200 J de calor! OPÇÃO: D. 17. (UFV/2009) Em um certo processo termodinâmico, o sistema não troca calor com a sua vizinhança. E CORRETO inferir que, nesse processo, necessariamente:a) a pressão no sistema aumenta.b) a temperatura do sistema e constante.c) o trabalho realizado pelo sistema e igual ao produto da sua pressão inicial pela variação de volume.d) o módulo da variação da energia interna do sistema e igual ao módulo do trabalho realizado por ele. CORREÇÃOTemos a 1ª Lei da Termodinâmica, conhecimento fundamental: ∆U = Q - τ . Se Q = 0(não troca calor), teremos ∆U = - τ ou ∆U = − τ . OPÇÃO: D. 18. (UNIMONTES/2009) Uma amostra de um gás perfeito passa do estado A para o estado B, sob pressão constante de 80 N/ m2, 3 absorvendo 2 × 10 Joules de calor. O volume V e a temperatura T dessa amostra estão representados no gráfico. Calcule o aumento da energia interna, durante a transformação.A) 200 J.B) 500 J.C) 300 J.D) 400 J. CORREÇÃO http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 17. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 17Sob pressão constante, isobárica, vale: τ =P. ∆V . Do gráfico, o volume vai de 10 para30 m3, variando 20... Logo: τ = 80.20 = 1.600 J.Da 1ª Lei da Termodinâmica, ∆U = Q - τ , temos ∆U = 2000 – 1600 = 400 J. OPÇÃO: D. 19. Durante incêndios, uma grande preocupação dos bombeiros é com os botijões de gás, como os ilustrados ao lado. Recebendo uma quantidade calor para a qual não estão preparados, a conseqüência conhecida é que eles podem simplesmente explodir. E, neste caso, são capazes de grandes estragos. Veja a próxima figura que mostra, exatamente, o que pode ocorrer em um acidente como este! Dentro dos botijões, o gás de cozinha – GLP – pode ter seu comportamento descrito como um chamado Gás Ideal, aproximadamente. Escolha entre as opções abaixo aquela que descreve corretamente o tipo de transformação gasosa a que o gás, no interior do botijão, estará sujeito. Transformação esta que leva o botijão a explodir. a) Isotérmica. b) Isobárica. c) Isovolumétrica. d) Adiabática. CORREÇÃOQuestão bem simples. Basta lembrar que, antes de explodir, embora o botijão até dilate,mas pouco, podemos considerar seu volume como praticamente constante. E,devido a isto, ao receber calor, a temperatura e a pressão aumentam até o ponto emque ele não suporta mais. OPÇÃO: C. 20.Escreva a 1ª Lei da Termodinâmica. CORREÇÃO∆U = Q - τ. 21.Cite o tipo de transformação gasosa que ocorre tão rápida que não dá tempo de trocar calor. CORREÇÃOAdiabática. 22. Um gás sofre uma transformação gasosa como a mostrada no diagrama Pressão x Volume a seguir, passando de um estado inicial i para um final f.a) Diga o tipo de transformação sofrida pelo gás. http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 18. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 18b) Responda: sua temperatura aumenta, diminui ou não se altera? P (Pa) f i V (m3) CORREÇÃOComo o volume não se altera, é uma transformação isovolumétrica. Além disto,observando que a pressão aumenta, então a temperatura também aumenta. Ficacomo tarefa justificar, pela 1ª Lei da Termodinâmica, por que o gás está recebendocalor e também verificar, pelas isotermas do gráfico – não traçadas – que a temperaturavisivelmente aumenta. 23. (UEMG/2009) Um gás é aquecido no interior de um recipiente dotado de êmbolo móvel, de tal maneira que o trabalho realizado pelo gás é igual ao calor que ele recebe, conforme ilustração a seguir:Assinale a alternativa que mostra CORRETAMENTE o que aconteceu, durante o processo,nas condições descritas acima:A) A temperatura do gás permaneceu constante.B) A pressão do gás permaneceu constante.C) A temperatura do gás aumentou, pois ele é aquecido.D) A pressão e a temperatura do gás permaneceram constantes. http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 19. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 19 CORREÇÃO1ª Lei da Termodinâmica: ∆U = Q - τ . Do enunciado, temos que o calor é igual aotrabalho! Portanto: ∆U = Q – Q = 0, o que significa que a temperatura não varia. OPÇÃO: A. 24. O esquema abaixo representa o funcionamento de uma máquina térmica. EXPLIQUE-O de forma fisicamente correta e objetiva. CORREÇÃO Uma máquina térmica retira calor da chamada fonte quente (Q2) à temperaturaT2 , utiliza parte para realizar trabalho W (alguma aplicação tecnológica) e rejeita parafonte fria à temperatura T1 uma quantidade de calor Q1 (desperdício). Notar que os índices 1 e 2 estão trocados em relação à maioria dos livros, mas oesquema é literalmente idêntico. 25. (UFMG/2010) Uma máquina térmica é constituída de um cilindro, cheio de gás, que tem um êmbolo móvel. Durante o funcionamento dessa máquina, o gás é submetido a um processo cíclico, que o leva de um estado K a outro estado L e, depois, de volta ao estado K e assim sucessivamente, como representado no diagrama pressão versus volume, mostrado na figura ao lado.Considerando essas informações,ESPONDA:A) Em qual dos dois estados – K ou L – atemperatura do gás é maior?JUSTIFIQUE sua resposta.B) Em um ciclo completo, em que o gás sai doestado K e volta ao mesmo estado, essa máquina realiza trabalho líquido? http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 20. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 20JUSTIFIQUE sua resposta.C) Tendo-se em vista que se trata de um sistema ideal, é possível converter em trabalho todo o calorfornecido a essa máquina?JUSTIFIQUE sua resposta. CORREÇÃO A Termodinâmica. Envolve conhecimento, mas não achei esta tão complicada. Quanto ao item A, em qual estado (K ou L) a temperatura é maior, podemos justificar de doismodos bem distintos. Escrevendo a famosa equação de Clapeyron, a “puta velha”...PV = nRT . Dela, vemos que, se o número de mols n permanecer constante, o queocorre quando o gás (neste caso considerado idel) está preso (confianado) na máquina, dentro deum cilindro com êmbolo, e sendo R já é uma constante, então a Temperatura é proporcional aoproduto Pressão x Volume (T α P.V). No gráfico, observamos que para L os valores da Pressão edo Volume são maiores do que em K. Veja... TK TL > TK PL > PK PK VK VL > VK No gráfico, como disse, em L os valores de P e V são maiores. Logo, em L a temperatura émaior. Outra maneira pela qual gosto de visualizar é através das Isotermas, hipérboles, curvas queneste caso mostram pontos de temperaturas constantes. Note que a isoterma de K é mais baixa que a de L, logo sua temperatura é menor. Quanto ao item B, vou argumentar pela área sob ográfico, conhecimento fundamental. Ela fornece o trabalho.Durante a expansão, o gás realiza trabalho (positivo), edurante a compressão trabalho é realizado sobre ele(negativo). O chamado Trabalho Líquido é a diferença entreestes dois, e é dado pela área dentro do círculo. Como se vê, otrabalho positivo é maior que o negativo e há portanto, sim,trabalho líquido. O que significa que a máquina realmentecumpriu seu papel: como num carro, por exemplo, moveu asrodas. http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 21. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 21Finalmente, em C, um dos enunciados da famosa e filosófica 2a Lei da Termodinâmica, diz que nãoexiste máquina térmica cujo rendimento seja de 100%. O que quer dizer que não é possívelconverter em trabalho todo o calor... 26. (UFMG/2011) Um pistão - constituído de um cilindro e de um êmbolo, que pode se mover livremente – contém um gás ideal, como representado na Figura I. O êmbolo tem massa de 20 kg e área de 0,20 m2. Nessa situação, o gás está à temperatura ambiente e ocupa um volume VI.Considere quaisquer atritos desprezíveis e que a pressão atmosférica é de 101kPa. 1. Com base nessas informações, DETERMINE a pressão do gás dentro do pistão. 2. Em seguida, o pistão é virado de cabeça para baixo, como mostrado na Figura II. Nessa nova situação, a temperatura continua igual à do ambiente e o volume ocupado pelo gás é VII. Com base nessas informações, DETERMINE a razão VII / VI entre os volumes. 3. Assinalando com um X a quadrícula apropriada, RESPONDA: Ao passar da situação representada na Figura I para a mostrada na Figura II,o gás dentro do cilindro cede calor, recebe calor ou não troca calor? Cede calor. Recebe calor. Não troca calor. JUSTIFIQUE sua resposta. CORREÇÃO Questão de Termodinâmica, envolvendo Gases. Pistões com gases não são novidade: alémde fazerem parte dos motores à combustão, povoam a muito as provas da UFMG. Como se vê tantona 1ª quanto na 2ª etapas. uuur O item 1 envolve o Equilíbrio, e a 1ª Lei de Newton (Fres=0), porsinal já cobrada nesta prova. Veja as forças que atuam e equilibram o pistão f gásna figura I. A Força do Gás, para cima, precisa equilibrar o Peso do Êmbolo etambém a Força devido à Pressão Atmosférica, ou seja, devido ao peso uuuu r uuuuurda camada de ar da atmosfera. Talvez haja alguma confusão entre Pressão f Patm Pêmboloe Força por parte de alguns. Escrevendo o Equilíbrio.Fgás = Pêmbolo + FPatm Agora, lembramos o conceito de Pressão: a força distribuída em uma área: força FP= = ⇒ F = P. A . O Peso é uma força, igual ao produto “m.g”, mas os dados da questão área A http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 22. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 22trazem Pressão. No caso do gás e da força devido à pressão atmosférica, temos que substituir.Assim:Pgás A = m. g + Patm A . Temos dados, unidades corretas, fazer as contas...Pgás .0, 20 = 20.10 + 101.103.0, 20 ⇒ 2 2 2Pgás . = 200 + 101.10 3 . ⇒ 10 10 2Pgás . = 200 + 20200 ⇒ 10 10200 2Pgás . = 20400 ⇒ Pgás = 102000 ⇒ 10Pgás = 102.103 = 102 kPa Como esperávamos, o gás tem pressão maior que a atmosférica, tanto que sustenta a mesma eo êmbolo. O item 2 é interessante. Ao virar o pistão de ponta a cabeça, a pressão atmosférica continuasustentando um peso de 20 kg, do êmbolo. Ela é grande! Neste vídeo, no meu blog, mostro como ela esmaga facilmente um tambor. Olhe lá: - http://quantizado.blogspot.com/2009/06/pressao-atmosferica.html . Temos que observar a configuração de forças na nova situação, para o novo Equilíbrio. Observe que o Peso do êmbolo continua para baixo. Porém, o gás uuuu ragora pressiona o êmbolo para baixo. E, como o pistão é aberto embaixo, a f Patmpressão atmosférica empurra para cima. Muitas pessoas simplesmente nãoenxergam a pressão atmosférica atuando para cima. Há uma famosaexperiência de se emborcar um copo cheio d’água, para mostrar isto. Quer uuurver? uuuuurhttp://www.youtube.com/watch?v=hq3FszCVbFE&feature=related . f gás P êmbolo Novamente, temos os dados, restam as contas...Fgás + Pêmbolo = FPatm ⇒ Pgás A + m. g = Patm A ⇒Pgás .0, 20 + 20.10 = 101.103.0, 20 ⇒ 2 2 2Pgás . + 200 = 101.10 3 . ⇒ 10 10 10000 2Pgás . = 20200 − 200 = 20000 ⇒ 10Pgás = 100000 = 100.103 = 100 kPa http://fisicanoenem.blogspot.com/
  • 23. © QUESTÕES CORRIGIDAS – PROFESSOR Rodrigo Penna 23 Sabemos a pressão na situação II, e não terminamos. A pressão diminuiu, e a pergunta é sobrea razão entre os volumes final e inicial. Só de virar de cabeça para baixo, creio intuitivamente apessoa imagina o volume crescendo. Se não, as fórmulas e contas mostrarão. Da equação dos gasesideais, Clapeyron, a famosa “puta veia não rejeita tarado”, temos: PV=nRT. Se o gás está preso, onúmero de “mols”, n, permanece constante. Leva à tradicional proporcionalidade nas transformaçõesgasosas. No caso, o enunciado diz: temperatura constante!PII .VII PI .VI V P = ⇒ II = I ⇒ TII TI VI PIIVII 102 = = 1,02VI 100 Olhando o resultado, como a pressão ficou inversamente proporcional ao volume, se estecresceu a pressão diminuiu. Foi o que ocorreu. A última pergunta é sobre troca de calor Q, e envolve a 1ª Lei da Termodinâmica. Matéria queexige grande clareza por parte do aluno. E correção sobre a convenção de sinais, na Física. ∆U = Q - τ, onde:- ∆U é a variação da energia interna de um gás, vinculada à temperatura (grau de agitação daspartículas que compõem este gás). É positiva quando a temperatura e energia interna aumentam, evice-versa;- Q é o calor trocado pelo gás com o ambiente (vizinhança). É positivo quando o gás ganha calor, evice-versa;- τ é o trabalho, mais chato e menos compreendido pelos estudantes. Trabalho não deixa de ser umatroca de energia. Quando um gás é “espremido”, você dá energia a ele. Ao contrário, quando ele seexpande, gasta sua energia interna para “aumentar de tamanho”. O trabalho é positivo quando o gásse expande e negativo quando ele é comprimido. Já ilustrei um motor a combustão, nesta prova, ali atrás. Sem clareza sobre o modelo cinéticode um gás o aluno se complica. Eis uma explicação on line: http://www.youtube.com/watch?v=EtKKpRzB-y0 . Como a temperatura não muda, temos ∆U = 0 ⇒ 0 = Q - τ ⇒ τ = Q. A razão entre os volumes, 1,02, nos mostrou que o gás expandiu um pouco, isto é, seuvolume aumentou: VII > VI ⇒ VII / VI > 1. Nesta expansão, ele realizou trabalho (para “aumentar detamanho”) positivo. Logo, ganhou calor (positivo, + = +) ao longo desta expansão, para poder seexpandir sem esfriar, mantendo a temperatura constante. Recebe calor. http://fisicanoenem.blogspot.com/

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