Termodinâmica

Alpinistas que sobem ao cume do Monte Everest (altitude de aproximadamente 8.850 m) observam que a água entra em ebulição a cerca de 70 °C, valor muito inferior aos 100 °C verificados ao nível do mar. Isso ocorre porque, com o aumento da altitude, a pressão atmosférica diminui, reduzindo o ponto de ebulição. Convertendo ambas as temperaturas para a escala Kelvin e calculando a diferença entre os dois pontos de ebulição, obtém-se:

Uma dona de casa nota que sua panela de alumínio aquece muito mais rapidamente que a de barro, mesmo submetidas ao mesmo fogo. Essa diferença está relacionada ao calor específico dos materiais.

Um motor a combustão interna recebe 5.000 J de calor proveniente da queima de combustível e realiza 1.500 J de trabalho mecânico, cedendo o restante da energia à fonte fria. Com base na Primeira e na Segunda Leis da Termodinâmica, a eficiência térmica desse motor e o calor cedido à fonte fria são, respectivamente:

O diagrama pressão–volume (P–V) é uma ferramenta fundamental na análise de ciclos termodinâmicos. O gráfico abaixo representa um ciclo ABCD realizado por um gás ideal. Nas etapas AB e CD o gás sofre processos isobáricos; nas etapas BC e DA, processos isocóricos.

As linhas férreas são construídas com pequenas lacunas entre os trilhos para prevenir acidentes causados pela dilatação térmica. Um trilho de aço de 10 m de comprimento é instalado a 20 °C. Sabendo que α_aço = 12 × 10⁻⁶ °C⁻¹, quando a temperatura atingir 50 °C, o comprimento do trilho será:

Em um experimento de calorimetria, 200 g de água a 80 °C são misturados com 100 g de água a 20 °C em um calorímetro ideal. O calor específico da água é 1 cal/(g·°C). A temperatura de equilíbrio da mistura é:

A eficiência de uma máquina de Carnot é determinada pelas temperaturas absolutas das fontes. Uma máquina ideal de Carnot opera entre uma fonte quente a 500 K e uma fonte fria a 300 K. A eficiência máxima teórica dessa máquina é:

O gráfico abaixo mostra a variação de temperatura de uma amostra de água em função do calor fornecido, a partir do estado sólido (gelo) até o estado gasoso (vapor), à pressão constante.

Um cubo de gelo de 50 g a 0 °C é adicionado a 200 g de água a 30 °C em um recipiente termicamente isolado. Considere L_fusão = 80 cal/g e c_água = 1 cal/(g·°C). Sobre o processo, é correto afirmar que:

Em um processo isotérmico com gás ideal, a temperatura permanece constante e o produto pressão × volume é invariável. Um gás ocupa inicialmente 2 L a 3 atm e se expande isotermicamente até 6 L. A nova pressão será:

A Primeira Lei da Termodinâmica expressa a conservação de energia. Um gás ideal recebe 800 J de calor e realiza 300 J de trabalho sobre o meio externo. A variação de energia interna do gás é:

A Lei do Resfriamento de Newton estabelece que a taxa de perda de calor de um corpo é proporcional à diferença de temperatura entre ele e o ambiente. O gráfico abaixo mostra a temperatura de um corpo metálico em função do tempo, após ser retirado de uma fonte de calor e exposto ao ar.

A brisa marítima é um fenômeno climático observado em regiões costeiras: durante o dia, o vento sopra do mar em direção à terra. Esse fenômeno é explicado pela convecção térmica. A razão pela qual isso ocorre é que:

A radiação térmica propaga-se no vácuo. Pela Lei de Stefan-Boltzmann, a potência irradiada por um corpo é proporcional à quarta potência de sua temperatura absoluta (P ∝ T⁴). Se a temperatura superficial de uma estrela é o dobro da do Sol, a intensidade de radiação emitida pela estrela, em relação ao Sol, é:

Um engenheiro propõe uma máquina que absorva calor do oceano a 25 °C e converta 100% dessa energia em trabalho mecânico, sem ceder calor a nenhuma fonte fria. Com base nos princípios da termodinâmica, essa máquina:

O gráfico abaixo mostra a eficiência máxima (ciclo de Carnot) de uma máquina térmica em função da temperatura da fonte fria, mantendo a temperatura da fonte quente fixa em T_quente = 800 K. O ponto P indica uma condição específica de operação.

Um refrigerador opera como máquina térmica inversa: consome trabalho elétrico para retirar calor do interior frio e cedê-lo ao ambiente externo mais quente. Um modelo retira 1.200 J do compartimento interno e consome 400 J de energia elétrica por ciclo. O calor cedido ao ambiente externo é:

A entropia mede o grau de desordem de um sistema. Em processos espontâneos, a entropia total do universo sempre aumenta. Identifique aquele em que há redução de entropia no sistema em questão:

Uma usina termelétrica a carvão possui eficiência de 35% e produz 350 MW de potência elétrica. Para manter essa produção, a taxa de energia térmica fornecida pela queima do carvão deve ser:

O trabalho realizado por um gás em uma transformação é representado pela área sob a curva no diagrama P–V. O gráfico abaixo mostra dois processos distintos que levam um gás do estado A ao estado B: o Processo 1 é isotérmico (curva hiperbólica P·V = constante) e o Processo 2 é uma transformação linear direta.