Voltar a: 10ºAno – Física
Ficha nº14
⇒ Segunda Lei da Termodinâmica
1. Em 1742, Celsius apresentou sua escala termométrica para a Academia das Ciências da Suécia. A escala Celsius é subdividida em cem partes e apresenta os pontos de fusão e ebulição da água, indicados de 0 a 100.
1.1 Qual é o principal processo de transferência de energia, como calor, que ocorre no líquido do termómetro?
1.2 Indica a que corresponde a variação de temperatura de 1 ºC, na escala termodinâmica.
1.3 Explica a proposta de Celsius, identificando os pontos de referência, os respetivos valores e unidade.
1.1
🔶 Por convecção
1.2
🔶 A escala de temperatura Celsius baseou-se no estudo do sistema água e na determinação de dois pontos de referência, à pressão de 1 atmosfera : ponto de fusão e ponto de ebulição.
Ponto 1: ponto de fusão da água (que corresponde à temperatura à qual o gelo funde, quando se encontra à pressão de 1 atmosfera), ao qual foi atribuído o valor 0ºC.
Ponto 2: ponto de ebulição da água [que corresponde à temperatura à qual a água entra em ebulição quando se encontra à pressão de 1 atmosfera), ao qual foi atribuído o valor 100 ºC.
1.3
🔶 1 kelvin (1 K)
2. Assinala a opção que representa corretamente o diagrama de fluxo de uma máquina térmica.
- Opção (B)
3. De acordo com a 2ª lei da Termodinâmica, seleciona a opção correta:
(A) O rendimento dos processos de transformação de energia que ocorrem em sistemas isolados é 100%.
(B) Na Natureza, as transformações espontâneas ocorrem no sentido em que há aumento da energia útil do sistema.
(C) Todo o trabalho realizado por um sistema pode ser convertido em calor, mas o contrário não é possível.
(D) Os processos de transferência e de transformação de energia são acompanhados de aumento de energia útil.
- Opção (C)
4. Considera duas máquinas térmicas A e B.
Seleciona a opção correta.
(A) A máquina A tem maior rendimento do que a máquina B.
(B) A máquina A tem menor rendimento do que a máquina B.
(C) As máquinas A e B têm rendimentos iguais.
(D) nenhuma das opções anteriores.
- Opção (C)
5*. Que Lei afirma que uma máquina nunca tem um rendimento de 100%?
- Segunda Lei da Termodinâmica
6. De acordo com a definição da segunda Lei da Termodinâmica, podemos concluir que:
(A) Nenhuma máquina térmica, operando entre duas temperaturas fixas, pode ter um rendimento de 100%.
(B) As máquinas térmicas rejeitam, para a fonte fria, parte da energia fornecida, sob a forma de trabalho.
(C) Nenhuma máquina térmica consegue converter calor noutra forma de energia.
(D) As máquinas térmicas absorvem energia de uma fonte quente e transferem-na integralmente para uma fonte fria.
- Opção (A)
7. Com base na 2ª Lei da Termodinâmica, explica em que condições uma amostra de gelo a -18 ºC pode aquecer ou arrefecer uma certa massa de propanol.
🔶 Segundo a 2.ª Lei da Termodinâmica, a transferência espontânea de calor ocorre do corpo mais quente para o mais frio.
🔶 Se o propanol estiver mais frio que o gelo, em contacto com este irá aquecer; se estiver mais quente, irá arrefecer.
8*. Durante algum tempo, um motor realiza um trabalho de 2,4 x 105 J e lança para o exterior, através dos gases de escape, uma energia como calor correspondente a 60% do trabalho realizado.
Indica a opção correta para o rendimento deste motor.
(A) 75,3%
(B) 25,5%
(C) 37,5%
(D) 59,2%
- Opção (C)
🔶 W= 2,4 x 105 J
🔶 Qf = 0,60 x 2,4 x 105 J = 1,44 x 105 J
Sendo Qq = W + Qf
Tem-se, substituindo pelos valores:
🔶 Qq = 2,4 x 105 + 1,44 x 105 = 3,84 x 105 J
9. Dois cubos de ouro iguais e a diferentes temperaturas são postos em contacto.
Supõe que o cubo a menor temperatura diminuía a sua temperatura em 15 ºC e que o bloco a maior temperatura a aumentava em 15 ºC. Tal fenómeno:
(A) não está de acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica.
(B) não viola qualquer Lei.
(C) não está de acordo com a Lei da Conservação da Energia.
(D) não está de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica.
- Opção (A)
🔶 De acordo com a segunda Lei, os dois corpos devem tender para o equilíbrio térmico, ou seja, o quente arrefece e o frio aquece.
10. O esquema representa o ciclo de operação de uma determinada máquina térmica.
Considera que, a cada ciclo, a máquina realiza um trabalho de 4,2 x 104 J com um rendimento de 72%.
Em relação a essa máquina, determina:
10.1 A quantidade de calor transferida para a fonte “fria”;
10.2 A variação da energia interna do gás.
10.1
10.2 O gás absorve calor de uma fonte quente, realiza trabalho mecânico e transfere calor para uma fonte fria, pelo que
11. Segundo a 2.ª Lei da Termodinâmica, é impossível que uma máquina térmica transforme todo o calor cedido em trabalho. Explica porquê.
🔶 Porque no processo de transferência de energia do vapor para as peças da máquina que se movimentam ocorre degradação de energia: as peças aquecem devido à diferença de temperatura e ao atrito entre elas.
12. Num intervalo de 2 minutos, as máquinas térmicas A e B, realizam o trabalho representado na figura.
Seleciona a opção correta:
(A) A máquina B tem maior rendimento porque produz mais trabalho no mesmo intervalo de tempo.
(B) A máquina A tem maior rendimento porque cede menos energia como calor à fonte fria.
(C) As máquinas A e B têm o mesmo rendimento.
(D) A potência útil da máquina B é mesma que a máquina A.
- Opção (C)
13. Considera as figuras seguintes, onde são apresentadas três máquinas térmicas operando, em ciclos, entre fontes de calor “quente” e “fria”.
13.1. De acordo com as Leis da termodinâmica, qual das máquinas é possível construir? Justifica
13.2. Determina a eficiência da máquina termodinamicamente possível.
13.1
🔶 Apenas a máquina C é termodinamicamente possível.
🔶 A máquina A viola a segunda lei da termodinâmica porque é impossível converter integralmente toda a energia recebida sob a forma de calor de uma fonte quente em trabalho.
🔶 A máquina B viola a primeira lei da termodinâmica porque não obedece à conservação de energia, recebe 1200 J de energia sob a forma de calor e cede 1400 J de energia no total, o que é impossível.
13.2
14. Considera uma central termoeléctrica que tem uma potência total instalada de 2368 MW, o processo de produção de energia elétrica nesta central tem um rendimento aproximado de 28%.
Que massa de carvão será necessário queimar por hora, sabendo que na combustão do carvão utilizado na central se libertam 31,2 MJ kg-1.
A energia produzida por hora é:
🔶 E = 2368 x 106 x 3600 = 8,52 x 1012 J
Como apenas 28% da energia disponibilizada pelo carvão é transformada em energia elétrica, então:
A massa total de carvão necessária será:
15*. Na expansão isotérmica de um gás ideal monoatómico, a temperatura permanece constante e, de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica, a variação da energia é nula.
Desse modo, o calor absorvido é convertido completamente em trabalho.
Justifica por que razão esta situação não viola a Segunda Lei da Termodinâmica.
🔶 Esta situação não viola a segunda lei da termodinâmica porque não se trata de um sistema isolado.
16*. Na queima de 1,0 kg de gasolina obtém-se 1,0 x 108 J de energia, parte da qual pode ser convertida em trabalho.
Considera que foram queimados 14400 kg de gasolina por hora, a uma temperatura de 1550 ºC.
A energia que não é aproveitada na produção de trabalho é cedida para um riacho com um caudal de 8000 L de água por segundo. A água do riacho encontra-se a 32 ºC. A eficiência da central termoelétrica é 52%.
16.1. Determina a potência gerada pela central termoelétrica.
16.2. Determina o aumento de temperatura da água do rio ao passar pela central termoelétrica.
Dados:
🔶 c (capacidade térmica mássica da água) = 4186 J kg-1 K-1
🔶 ρ (densidade da água) = 1,0 g cm-3
16.1
16.2
O calor transferido para a água num segundo será:
17. A Segunda Lei da Termodinâmica pode ser encarada como um princípio de degradação da energia.
Justifica a afirmação.
🔶 A transferência de energia, sob a forma de calor, de uma fonte “quente” para uma fonte “fria”, com realização de trabalho, que ocorre numa máquina térmica é um processo irreversível, uma vez que não é possível, depois de atingido o estado final de equilíbrio, retornar ao estado inicial ou a quaisquer estados intermediários, sem a ação de agentes que modifiquem o meio externo.
🔶 Trata-se de um processo espontâneo, que ocorre num sentido e não no outro, em que parte da parcela da energia envolvida tornar-se indisponível para a realização de trabalho.
18. Foi instalado um coletor solar com 6,0 m2 de área, numa região onde o valor da irradiância média da radiação solar é 450 W m-2.
Calcula o rendimento médio do processo de aquecimento de 300 kg de água, sabendo que foi conseguido aumentar 38ºC durante o 8h.
A energia transferida para o coletor é:
🔶 Et = 6,0 x 450 x 8 x 3600 = 7,78 x 107 J
A energia útil do coletor corresponde à energia necessária para aquecer água:
