Estudo dos gases e Termodinâmicaprepapp.positivoon.com.br/assets/Modular/FISICA/SPE_ER15... · 2019-08-29 · 6 Estudo dos gases e Termodinâmica Relação entre pressão e temperatura

APRESENTAÇÃO

Este módulo faz parte da coleção intitulada MATERIAL MODULAR, destinada às três

séries do Ensino Médio e produzida para atender às necessidades das diferentes rea-

lidades brasileiras. Por meio dessa coleção, o professor pode escolher a sequência que

melhor se encaixa à organização curricular de sua escola.

A metodologia de trabalho dos Modulares auxilia os alunos na construção de argumen-

tações; possibilita o diálogo com outras áreas de conhecimento; desenvolve as capaci-

dades de raciocínio, de resolução de problemas e de comunicação, bem como o espírito

crítico e a criatividade. Trabalha, também, com diferentes gêneros textuais (poemas,

histórias em quadrinhos, obras de arte, gráficos, tabelas, reportagens, etc.), a fim de

dinamizar o processo educativo, assim como aborda temas contemporâneos com o ob-

jetivo de subsidiar e ampliar a compreensão dos assuntos mais debatidos na atualidade.

As atividades propostas priorizam a análise, a avaliação e o posicionamento perante

situações sistematizadas, assim como aplicam conhecimentos relativos aos conteúdos

privilegiados nas unidades de trabalho. Além disso, é apresentada uma diversidade de

questões relacionadas ao ENEM e aos vestibulares das principais universidades de cada

região brasileira.

Desejamos a você, aluno, com a utilização deste material, a aquisição de autonomia

intelectual e a você, professor, sucesso nas escolhas pedagógicas para possibilitar o

aprofundamento do conhecimento de forma prazerosa e eficaz.

Gerente Editorial

Estudo dos gases e Termodinâmica

© Editora Positivo Ltda., 2011

Proibida a reprodução total ou parcial desta obra, por qualquer meio, sem autorização da Editora.

DIRETOR-SUPERINTENDENTE:

DIRETOR-GERAL:

DIRETOR EDITORIAL:

GERENTE EDITORIAL:

GERENTE DE ARTE E ICONOGRAFIA: AUTORIA:

ORGANIZAÇÃO:EDIÇÃO DE CONTEÚDO:

EDIÇÃO:ANALISTAS DE ARTE:

PESQUISA ICONOGRÁFICA:EDIÇÃO DE ARTE:

ILUSTRAÇÃO:PROJETO GRÁFICO:

EDITORAÇÃO:CRÉDITO DAS IMAGENS DE ABERTURA E CAPA:

PRODUÇÃO:

IMPRESSÃO E ACABAMENTO:

CONTATO:

Ruben Formighieri

Emerson Walter dos Santos

Joseph Razouk Junior

Maria Elenice Costa Dantas

Cláudio Espósito GodoyLuís Fernando CordeiroMarlon Vinicius SoaresAlysson Ramos ArtusoRose Marie Wünsch Giselle Alice Pupo / Tatiane Esmanhotto KaminskiTassiane SauerbierAngela Giseli de SouzaDivo / Jack Art / Marcos GomesO2 ComunicaçãoDanielli Ferrari Cruz / Sérgio Reis©iStockphoto.com/Steve Mcsweeny; ©iStockphoto.com/Marilyn Neves; ©Shutterstock/Jhaz Photography; Latinstock/Interfoto; ©Shutterstock/Pzaxe; ©Thinkstock/Goodshoot; ©iStockphoto.com/David BukackEditora Positivo Ltda.Rua Major Heitor Guimarães, 17480440-120 Curitiba – PRTel.: (0xx41) 3312-3500 Fax: (0xx41) 3312-3599Gráfica Posigraf S. A.Rua Senador Accioly Filho, 50081300-000 Curitiba – PRFax: (0xx41) 3212-5452E-mail: [email protected]@positivo.com.br

Dados Internacionais para Catalogação na Publicação (CIP)(Maria Teresa A. Gonzati / CRB 9-1584 / Curitiba, PR, Brasil)

C794 Cordeiro, Luís Fernando.Ensino médio : modular : física : estudo dos gases e termodinâmica / Luís

Fernando Cordeiro ; ilustrações Divo, Jack Art, Marcos Gomes. – Curitiba : Positivo, 2011.

: il.

ISBN 978-85-385-6715-8 (livro do aluno)ISBN 978-85-385-6716-5 (livro do professor)

1. Física. 2. Ensino médio – Currículos. I. Divo. II. Jack Art. III. Gomes, Marcos. IV. Título.

CDU 373.33

Todos os direitos reservados à Editora Positivo Ltda.

Neste livro, você encontra ícones com códigos de acesso aos conteúdos digitais. Veja o exemplo:

Acesse o Portal e digite o código na Pesquisa Escolar.

@FIS900Um átomo e

um núcleo

@FIS900

SUMÁRIO

Unidade 1: Diagrama de fases

Relação entre pressão e temperatura 6

Unidade 2: Transmissão de calor

Processos de transmissão de calor 13

Unidade 3: Estudo dos gases

Características 25

Teoria cinética dos gases 29

Como um gás pode receber ou ceder energia? 32

Unidade 4: 1a. Lei da Termodinâmica

1a. Lei da Termodinâmica 37

Unidade 5: 2a. Lei da Termodinâmica

Máquina térmica 49

2a. Lei da Termodinâmica 50

Estudo dos gases e Termodinâmica4

Os físicos estão divididos sobre a natureza do calor. Muitos dentre eles

mais ou menos penetrados por ele, em função de sua temperatura e de

sua disposição particular em retê-lo. Ele pode se combinar com estes

e, neste estado, deixa de afetar o termômetro e de se transferir de um

corpo a outro, não estando, portanto, livre, o que permite então que se

ponha em equilíbrio nos corpos, formando o que chamamos de “calor

livre”.

Outros físicos pensam que o calor não é mais que o resultado dos

movimentos insensíveis das moléculas da matéria. Sabe-se que os

corpos, mesmo os mais densos, contêm um grande número de poros ou

de pequenos vazios, cujo volume pode ultrapassar consideravelmente

o da própria matéria que eles encerram; esses espaços deixam às suas

partes insensíveis a liberdade de oscilar em todos os sentidos, e é natural

pensar que estas partes estão numa agitação contínua, que, se aumentar

até certo ponto, pode desunir e decompor os corpos; é esse movimento

interno que, segundo os físicos que mencionamos, constitui o calor.

LAVOISIER, Antoine-Laurent; LAPLACE, Pierre-Simon de. Mémoire sur la chaleur. In:

LAVOISIER, Antoine-Laurent. Oeuvres. Paris: Imprimrie Imperiale, 1862. v. 2. p. 285.

Diagrama de fases1

Ensino Médio | Modular 5

FÍSICA

Você sabe a razão de se formar um rastro de água líquida imediatamente após um patinador deslizar sobre o gelo? Sabia que, rapidamente, a água líquida volta para a fase sólida?

Por que a naftalina sólida sublima, isto é, passa direto para a fase gasosa?

©Sh

utte

rsto

ck/t

estin

g

P.Im

agen

s/Pi

th

O que você responderia caso alguém perguntasse em que fase está a água quando a sua tempe-ratura é de 20ºC? Sólida, líquida ou gasosa? É provável que você, assim como a maioria das pessoas, respondesse que ela está na fase líquida, pois é isso que a experiência cotidiana ensina. Será que é sempre assim?

A água passa de sólida para líquida a 0ºC e de líquida para gasosa a 100ºC. Porém, essa afirmação só será verdadeira se a pressão a que ela estiver submetida for igual a 1 atm. Quando sujeita a dife-rentes pressões, as temperaturas de fusão e ebulição da água podem ser completamente diferentes desses valores citados. No radiador de um carro cuja pressão interna é maior que a atmosférica, é possível ter água ainda líquida a 120ºC.

Em La Paz, na Bolívia, a água ferve a cerca de 85ºC, porque a altitude dessa cidade faz com que a pressão atmosférica seja menor que 1 atm. A temperatura de ebulição da água é, portanto, bem dife-rente se for comparada a um local que esteja a nível do mar (100ºC). Por isso, em La Paz, sob pressão ambiente, a água a 90ºC está na fase gasosa.


Relação entre pressão e temperatura

Nas residências, é muito comum ferver água para variadas aplicações, mas a principal delas relaciona- -se ao cozimento de alimentos. Em Física, a palavra “ferver” tem um sinônimo: ebulição. Esse fenômeno ocorre quando um líquido atinge a temperatura apropriada e passa para o estado gasoso. Lembre-se de que, durante a mudança de fase de uma substância pura sob pressão constante, a temperatura também permanece constante.

Quando a água é aquecida em um fogão, situação em que o recipiente recebe calor pela parte de baixo, forma-se uma grande quantidade de gases na região inferior, em razão da mudança de fase. Por serem menos densos, os gases sobem, formando uma grande quantidade de bolhas.

Comparando o tempo gasto no preparo de um alimento com uma panela convencional e uma panela de pressão, é perceptível a diferença. Esta última caracteriza-se por permitir o aumento da pressão sobre o líquido existente dentro dela. Esse fato é decorrente do aumento da quantidade de vapor contido na panela, provocado pela vaporização da água. O aumento de pressão faz com que a temperatura de ebulição seja maior dentro da panela do que na condição ambiente, diminuindo o tempo de preparo dos alimentos.

O diagrama de fases é um gráfico que permite compreender se determinada substância está na fase sólida, líquida ou gasosa. Ele relaciona duas grandezas físicas, que podem influenciar no processo de mudança de agregação das partículas: a pressão e a temperatura.

Diagrama de fases da maioria das substânciasPara a maioria das substâncias, durante o processo de fusão (sólido líquido), ocorre aumento

de volume. Nesse caso, o diagrama de fases tem o seguinte formato:

As linhas que delimitam cada região representam as temperaturas e as suas pressões correspon-dentes em que ocorrem as mudanças de fase. Por isso, durante tais processos, há mais de uma fase coexistindo. Observe as pressões e as temperaturas nos gráficos a seguir:

Fase sólida

Faselíquida

Fase gasosa

P

T

Ensino Médio | Modular

FÍSICA

7

Para uma mesma temperatura T, a substância poderá estar em fases diferentes, dependendo da pressão a que estiver submetida (P1, P2, P3)

Para uma mesma pressão P, a substância poderá estar em fases diferentes, dependendo da temperatura a que estiver submetida (T1, T2, T3)

Quando a pressão sobre a água, na fase sólida (1), aumenta o suficiente, a água passa para

a fase líquida (2). Se a pressão voltar ao valor inicial, a água

também voltará para a fase sólida, ou seja, regela. Para a

maioria das substâncias, não se observa tal fenômeno

ExceçõesAlgumas substâncias possuem comportamento diferente se este for comparado ao da maioria.

Quando se fundem, ocorre diminuição em seu volume e, por isso, são consideradas exceções. Compa-rando as exceções com a maioria das substâncias, há os seguintes diagramas de fases:

A única diferença, em seus respectivos formatos, está na curva de fusão, destacada em vermelho. Substâncias que apresentam esse comportamento são a água, o bismuto, o ferro, a prata e o antimônio.

RegeloVocê sabia que, sem alterar a temperatura, é possível fazer com que a água sólida se funda e,

em seguida, retorne para a fase sólida? Esse fenômeno é denominado regelo e só pode ocorrer com substâncias que se comportam como exceções.

P

TExceções

P

TMaioria

P

TExceções

1

2P2

P1

Ocorre regelo


Por vezes, a ciência pode parecer quase mágica. Será que é possível um arame esticado atravessar um bloco de gelo sem rompê-lo?

Experimente pendurar objetos de grande mas-sa nas extremidades de um fio de arame e, então, colocá-lo sobre uma grande pedra de gelo, como mostra a ilustração.

Observe o que acontece e explique o ocorrido com base no fenômeno do regelo, que é conhecido como Experiência de Tyndall.

1. Neste gráfico, encontram-se destacados os pontos A, B e C:

T

A

B

C

P

Escreva os nomes das respectivas fases repre-sentadas pelos pontos:

A:

B:

C:

2. Neste gráfico, foram colocadas setas que in-dicam mudanças de fase:

T

P 1

23

4

5

6

Escreva o nome das mudanças de fases, re-presentadas pelas respectivas setas

1: 2:

3: 4:

5: 6:

3. Neste gráfico, encontram-se destacados os pontos A, B, C e D, que indicam mudanças de fases ou situações de equilíbrio em que coe-xistem mais de uma fase:

T

PA

B

C

D

Escreva o nome das fases que coexistem du-rante as respectivas mudanças ou situações de equilíbrio:

A:

B:

C:

D:

Div

o. 2

008.

3D

.


FÍSICA

9

4. Nestes gráficos, o ponto T é denominado ponto triplo ou tríplice, representando uma situação em que as três fases podem perma-necer em equilíbrio:

Analise os gráficos e complete os espaços escolhendo a palavra dada entre parênteses, que corresponde à informação constante na frase:

a) Para substâncias que estejam submetidas a pressões maiores que a do ponto trí-plice, certamente, não é possível ocorrer

(fusão, vaporiza-ção, sublimação).

b) Quando a água estiver submetida a temperaturas maiores que a do pon-to tríplice, será possível ocorrer somente

(fusão, vaporiza-ção, sublimação).

c) Quando uma substância, cujo comporta-mento coincide com o da maioria, estiver submetida a temperaturas menores que a do ponto tríplice, será possível ocorrer so-mente (fusão, vapo-rização, sublimação).

d) A naftalina sublima em condições ambien-tes, pois seu ponto tríplice tem valor de pressão (maior, me-nor) que o da pressão atmosférica no res-pectivo ambiente.

5. Nestes diagramas de fases, compare as pres-sões e as temperaturas correspondentes às respectivas condições em que ocorre fusão:

Assinale V para as afirmações verdadeiras e F para as falsas:

a) ( ) Em relação à maioria das substâncias, pode-se concluir que, para ocorrer a fusão, quanto maior for a pressão, maior será a temperatura em que essa mudança de fase ocorre.

b) ( ) Em relação à água, pode-se concluir que, para ocorrer fusão, quanto maior for a pressão, maior será a temperatura de fusão.

c) ( ) Durante o processo de fusão, há, si-multaneamente, duas fases: sólida e líquida.

d) ( ) Durante qualquer processo de mudança de fase, coexistem mais de uma fase.

6. Analisando a relação entre as variações de pressão e temperatura, assinale V para as afir-mações verdadeiras e F para as falsas:

a) ( ) Quanto maior for a pressão a que a substância estiver submetida, maior será a temperatura de ebulição.

b) ( ) Quanto maior for a pressão a que a substância estiver submetida, menor será a temperatura de sublimação.

c) ( ) Comparando o gráfico da maioria com o das exceções, pode-se concluir que, para a vaporização e a sublimação, au-mentos na pressão implicam aumento nas respectivas temperaturas em que ocorrem tais processos.

d) ( ) O rastro de água deixado por um patina-dor é explicado pelo aumento da pres-são que o peso do seu corpo provoca sobre o gelo, levando para a fase líquida a superfície desse sólido que entrou em contato com a base dos patins.


1. (UFES) Sobre o diagrama de fases do CO2, apre-sentado a seguir, pode-se afirmar que:

P (atm)

10,0

5,0

–80 –60 –40 –20 t ( C)o

A

B

C

a) à pressão de 8 atm e –40ºC de temperatura, o CO2 é um gás.

b) no ponto A, há um equilíbrio sólido-líquido. c) à pressão de 1 atm e 25ºC de temperatura o

CO2 sólido se sublima.d) o ponto B pode ser chamado de ponto de

ebulição.e) o ponto C representa um sistema monofásico.

2. (UNIFESP) A sonda Phoenix, lançada pela NASA, de-tectou em 2008 uma camada de gelo no fundo de uma cratera na superfície de Marte. Nesse planeta, o gelo desaparece nas estações quentes e reaparece nas estações frias, mas a água nunca foi observada na fase líquida. Com auxílio do diagrama de fase da água, analise as três afirmações seguintes:

I. O desaparecimento e o reaparecimento do gelo, sem a presença da fase líquida, suge-rem a ocorrência de sublimação.

II. Se o gelo sofre sublimação, a pressão atmos-férica local deve ser muito pequena, inferior à pressão do ponto triplo da água.

III. O gelo não sofre fusão porque a temperatura no interior da cratera não ultrapassa a tem-peratura do ponto triplo da água.

De acordo com o texto e com o diagrama de fases, pode-se afirmar que está correto o contido em:

a) I, II e III. b) II e III, apenas.c) I e III, apenas. d) I e II, apenas.e) I, apenas.

3. (UEG – GO) Analise o gráfico a seguir. Qual re-presenta o diagrama de fases da água, e julgue as afirmações posteriores:

Temperatura

A

Pressão

Líquido

Sólido

Vapor

I. No ponto A, coexistem as fases sólida, líqui-da e gasosa da água.

II. A posição do ponto triplo da água não sofrerá influência pela adição de um soluto não volátil.

III. Espera-se que com o aquecimento, no vácuo, as partículas de gelo passem diretamente para a fase gasosa.

Assinale a alternativa correta:

a) Apenas as afirmações I e II são verdadeiras. b) Apenas as afirmações I e III são verdadeiras.c) Apenas as afirmações II e III são verdadeiras.d) Todas as afirmações são verdadeiras.

Texto para as questões 4 e 5:

(ENEM)

A panela de pressão permite que os alimentos sejam cozidos em água muito mais rapidamen-te do que em panelas convencionais. Sua tampa possui uma borracha de vedação que não deixa o vapor escapar, a não ser por um orifício cen-tral sobre o qual assenta um peso que controla a pressão. Quando em uso, desenvolve-se uma pressão elevada no seu interior. Para a sua ope-ração segura, é necessário observar a limpeza do orifício central e a existência de uma válvula de segurança, normalmente situada na tampa.


FÍSICA

11

4. (ENEM) O esquema da panela de pressão e um dia-grama de fase da água são apresentados a seguir:

A vantagem do uso de panela de pressão é a rapi-dez para o cozimento de alimentos e isto se deve:

a) à pressão no seu interior, que é igual à pressão externa.

b) à temperatura de seu interior, que está acima da temperatura de ebulição da água no local.

c) à quantidade de calor adicional que é transfe-rida à panela.

d) à quantidade de vapor que está sendo libera-da pela válvula.

e) à espessura da sua parede, que é maior que a das panelas comuns.

5. (ENEM) Se, por economia, abaixarmos o fogo sob uma panela de pressão logo que se inicia a saída de vapor pela válvula, de forma simplesmente a manter a fervura, o tempo de cozimento:a) será maior porque a panela “esfria”.b) será menor, pois diminui a perda de água.c) será maior, pois a pressão diminui.d) será maior, pois a evaporação diminui.

e) não será alterado, pois a temperatura não varia.

6. Quanto maior for a temperatura utilizada para o preparo de determinado alimento, mais rapida-mente ele ficará pronto. No caso de panelas con-vencionais, o tempo de cozimento depende da al-titude do local, pois, quanto maior, menor será a pressão e, consequentemente, menor a temperatu-ra de ebulição, aumentando o tempo de cozimen-to. Em locais de menores altitudes, nível do mar, por exemplo, como a pressão é de 1 atm, a água ferve a uma temperatura de 100ºC e o alimento co-zinha mais depressa. Mas, dentro de uma panela de pressão, como as pressões superam 1 atm, a água pode ferver a temperaturas maiores que 100ºC e, assim, o alimento cozinha mais rapidamente.

Com base nessas informações e nas apresenta-das nos dois exercícios anteriores, assinale V para as afirmações verdadeiras e F para as falsas:

a) ( ) Considerando fontes térmicas iguais, que aquecem massas iguais, colocadas em pa-

nelas convencionais também iguais, o ali-mento demora mais para cozinhar na cida-de do Rio de Janeiro do que em uma cidade da Serra Gaúcha.

b) ( ) Pelo gráfico do exercício anterior, pode-se concluir que, quanto maior for a pressão, menor será a temperatura de ebulição da água.

c) ( ) Como a água é uma exceção, quanto maior for a pressão, menor será sua tem-peratura de ebulição.

d) ( ) Pelo gráfico do exercício 4, pode-se con-cluir que, sob pressão igual ao dobro da pressão atmosférica ao nível do mar, a temperatura de ebulição da água, em Cel-sius, é 20% maior que a respectiva tempe-ratura de ebulição a nível do mar.

e) ( ) No Pico da Neblina, ponto culminante do Brasil, respeitadas iguais condições iniciais, a água ferverá antes, por exemplo, do que em Fortaleza.

7. (ENEM) Sob pressão normal (ao nível do mar) a água entra em ebulição à temperatura de 100ºC. Tendo por base essa informação, um garoto residente em uma cidade litorânea fez a seguinte experiência:

Colocou uma caneca metálica contendo água no fogareiro do fogão da sua casa.

Quando a água começou a ferver, encostou cuidadosamente a extremidade mais estreita de uma seringa de injeção, desprovida de agulha, na superfície do líquido e, erguendo o êmbolo da seringa, aspirou certa quantidade de água para seu interior, tampando-a em seguida.

Verificando após alguns instantes que a água da seringa havia parado de ferver, ele ergueu o êmbolo da seringa, constatando, intrigado, que a água voltou a ferver após um pequeno deslocamento do êmbolo.

Considerando o procedimento anterior, a água volta a ferver porque esse deslocamento:

a) permite a entrada de calor do ambiente exter-no para o interior da seringa.

b) provoca, por atrito, um aquecimento da água contida na seringa.

c) produz um aumento de volume que aumenta o ponto de ebulição da água.

d) proporciona uma queda de pressão no interior da seringa que diminui o ponto de ebulição da água.

e) possibilita uma diminuição da densidade da água que facilita sua ebulição.


Isolamento térmico e roupas com tecidos inteligentes protegem do frio

Enquanto os brasileiros sofrem com as baixas temperaturas, britânicos contam com estrutura em casa e em locais públicos

A Grã-Bretanha está longe de ser o local mais gelado da Europa, mas, por ser uma ilha, ter ventos impiedosos e muita chuva, aprendeu a se proteger das variações do tempo. Por lá, só passa frio quem quer.

As novas construções, por exemplo, seguem regras rigorosas de isolamento térmico. É que o governo fez as contas: uma casa que gasta menos para se manter aquecida, polui menos. Ou seja, um imóvel bem protegido contra o frio, ajuda a proteger, também, o planeta. E isso é importante para atingir a ambiciosa meta de cortar pela metade a emissão de gases que causam o efeito estufa nos próximos 14 anos. É a redução mais drástica já proposta por um país desenvolvido. Plano que envolve a construção civil. [...]

MALAN, Cecília. Isolamento térmico e roupas com tecidos inteligentes protegem do frio. Jornal Hoje, Rio de Janeiro, 28 jun. 2011.

As informações constantes no texto anterior estão absolutamente corretas, mas se um professor de Física fosse o au-tor do texto, provavelmente, terminaria o 2º. parágrafo com esta frase: "Plano que envolve os processos de transmissão de calor".

Parede com isolamento térmico

©Sh

utte

rsto

ck/a

lterf

alte

r

Transmissão de calor2


FÍSICA

Processos de transmissão de calor

O conforto oferecido pela vida moderna exige um dispêndio grande de eletricidade. Hoje, quase metade da energia elétrica produzida no mundo vem de termelétricas movidas a combustíveis fósseis, emitindo assim gases causadores do efeito estufa e, consequentemente, contribuindo com o aquecimento global.

Ao evitar trocas térmicas entre os meios interno e externo, uma residência pode economizar muita energia. Quando, em determinado ambiente, não se quer a entrada ou a saída de calor, é necessário fazer um isolamento, evitando a sua transmissão. Para tal, deve-se saber que o calor é uma forma de energia que se propaga de um corpo para outro quando há diferença de temperatura entre eles. Essa transferência pode ocorrer de três formas: por condução, por convecção e por irradiação.

ConduçãoO processo de condução através de um objeto consiste em um fluxo de energia térmica de

uma partícula para outra, sem que ocorra transporte de matéria. Esse fenômeno exige um meio material (sólido, líquido ou gasoso) entre os pontos de partida e chegada do calor.

Conceito de fluxo de calorDefine-se fluxo de calor ( ) como a razão entre a quantidade de energia térmica (Q) transportada

através de uma seção transversal reta de um meio material e o respectivo intervalo de tempo ( t).

= Qt

Sendo: fluxo de calor, cuja unidade SI é o watt (W).

Q quantidade de calor, cuja unidade SI é o joule (J).t intervalo de tempo, cuja unidade SI é o segundo (s).

Fenômeno de

condução de

calor entre

corpos com

temperaturas

diferentes

@FIS309

Você sabe o que é o efeito estufa? Trata-se do retorno à Terra de ondas do tipo infravermelho devido à sua reflexão em uma espécie de espelho formado pelo acúmulo, na atmosfera, de gases como o CO2 e o metano, chamados de Gases do Efeito Estufa (GEE), impedindo que grandes quantidades de calor sejam dissipadas. Embora esse fenômeno seja natural e sempre tenha existido na Terra, com a industrialização e o desmatamento, ele foi intensificado e tornou-se um problema.

Em junho de 1992, foi realizada no Rio de Janeiro a Conferência das Nações Unidas para o Meio Ambiente e Desenvolvimento (CNUMAD), também conhecida como “Conferência de Cúpula da Terra”: a Eco-92. Um de seus pontos máximos foi o de chamar a atenção do mundo para as questões ambientais e, dentre elas, o efeito estu-fa. Essa conferência foi um marco na luta daqueles que têm por objetivo um planeta sustentável, que permita o crescimento e a geração de riquezas afetando minimamente a natureza. Vinte anos depois, a conferência Rio + 20 reforçou esse compromisso.

As questões ecológicas, de uma forma ou outra, estão relacionadas a fatores econômicos e sociais. Por isso, resta a pergunta, como organizar um mundo mais justo do ponto de vista social, viável economicamente e ao mesmo tempo sustentável? O conhecimento científico é uma importante ferramenta tanto para entender os problemas quanto para propor soluções. E a postura de cada um, ao exercer seu direito de zelar pelo ambiente, pode fazer a diferença para o mundo.

dE

Para compreender melhor o fenômeno da condução, pense em uma haste homogênea cujas tem-peraturas em suas extremidades sejam diferentes e se mantenham constantes. Suponha que o fluxo de calor só ocorre ao longo da haste, que a temperatura diminua gradativamente entre a parte mais quente e a mais fria e se mantenha assim no decorrer do tempo. A ilustração a seguir representa essa situação:

Nesse caso, o fluxo de calor pode ser calculado pela Lei de Fourier.

= k A ( Q – F)L

Em que: fluxo de calor, cuja unidade SI é o watt (W).

Q temperatura da extremidade com maior temperatura, cuja unidade SI é o kelvin (K).

F temperatura da extremidade com menor temperatura, cuja unidade SI é o kelvin (K).k constante do material chamada de coeficiente de condutividade térmica, cuja unidade SI

é wattmetro kelvin

Wm K

.

A área de secção transversal, cuja unidade SI é o metro quadrado (m2).L comprimento do objeto, cuja unidade SI é o metro (m).

Quando se toca a madeira de uma porta e o metal de seu trinco, as sensações térmicas são diferentes. O mesmo ocorre ao se pisar descalço no carpete e em um piso de cerâmica. Tanto o trinco de metal quanto o piso parecem mais frios que a porta de madeira e o carpete. Entretanto, estão no mesmo ambiente e, con-tanto que não haja fornecimento de calor exclusivamente para um deles, suas temperaturas permanecerão iguais (equilíbrio térmico).

Logo, a resposta para essa sensação mais fria não está necessariamente na temperatura, mas no fluxo de calor. A sensação de frio é um indicativo de que a pessoa está perdendo energia térmica rapidamente. Isso pode ocorrer quando há grande diferença de temperatura entre as mãos e o objeto tocado, mas também quando ele é bom condutor de calor (coeficiente alto de condutividade térmica), fazendo com que o fluxo térmico seja intenso das mãos para o objeto. É o que ocorre com o metal, que é um melhor condutor de calor do que a madeira, e com o piso, que possui coeficiente de condutividade térmica maior do que o carpete. Assim, se você tocar dois objetos que estejam a temperaturas iguais, porém mais baixas que a temperatura de seu corpo, o fluxo de calor da sua mão será maior para o objeto que possuir maior coeficiente de condu-tividade, causando a falsa impressão de que ele está mais frio.

( )(( ))((( )))(((( ))))((((( )))))

Fluxo de calor

(da parte mais quente para a mais fria)

�

1�

2

� �

1 2>



A tabela a seguir traz alguns valores de coeficientes de condutividade. Quanto maiores forem esses valores, melhor condutor será o material; quanto menor, melhor isolante ele será. Se todos os materiais apresentados estivessem a uma mesma temperatura (inferior à da sua mão), ao encostá-la em cada um deles, qual pareceria mais frio?

Coeficientes de condutibilidade térmica (k) de algumas substâncias

MaterialValor do k

(kcal/h ∙ m ∙ ºC)

Ar seco em repouso 0,022

Isopor 0,025

Lã 0,033

Algodão 0,047

Fibra de vidro 0,20

Tijolo furado 0,35

Água (parada) 0,50

Vidro comum 0,65

Tijolo maciço 0,70

Gelo 0,8

Telha de barro 1,14

Zinco 96

Alumínio 175

Ouro 267

Cobre 332

1. Consulte a tabela e responda qual é o melhor condutor e o melhor isolante térmico entre os materiais apresentados? Justifique a sua escolha pelo coeficiente de condutibilidade térmica:

2. Complete as frases escolhendo a palavra dada entre parênteses que dá sentido à informação:

a) Os valores de condutibilidade térmica suge-rem que os metais são (bons/maus) condutores de calor.

b) Alguns animais, durante o inverno, eriçam seus pelos para reter ar, pois essa substân-cia é um bom

(isolante/condutor) térmico, haja vista a sua (alta/baixa) condutividade.

3. Recentes reportagens que apareceram na mí-dia apresentaram um luxuoso hotel cujas pa-redes e todos os móveis, inclusive as camas, eram feitas de gelo. Os proprietários garan-tiam que seus hóspedes passavam mais frio fora do que dentro do hotel. Com base nas informações da tabela, elabore uma justifica-tiva física para esse fato:

FÍSICA


4. Qual a razão de tijolos maciços apresentarem maior coeficiente de condutividade que tijolos feitos com o mesmo material, porém furados?

5. (ENEM) Uma garrafa de vidro e uma lata de alumínio, cada uma contendo 330 mL de re-frigerante, são mantidas em um refrigerador pelo mesmo longo período de tempo. Ao re-tirá-las do refrigerador com as mãos despro-tegidas, tem-se a sensação de que a lata está mais fria que a garrafa. É correto afirmar que:a) a lata está realmente mais fria, pois a capa-

cidade calorífica da garrafa é maior que a da lata.

b) a lata está de fato menos fria que a garra-fa, pois o vidro possui condutividade térmi-ca menor que o alumínio.

c) a garrafa e a lata estão à mesma tempe-ratura, possuem a mesma condutividade térmica, e a sensação deve-se à diferença nos calores específicos.

d) a garrafa e a lata estão à mesma tempe-ratura, e a sensação é devida ao fato de a condutividade térmica do alumínio ser maior que a do vidro.

e) a garrafa e a lata estão à mesma tempe-ratura, e a sensação é devida ao fato de a condutividade térmica do vidro ser maior que a do alumínio.

6. (PUC Minas) Ainda nos dias atuais, povos que vivem no deserto usam roupas de lã branca como parte de seu vestuário para se prote-gerem do intenso calor, já que a temperatura ambiente pode chegar a 50ºC durante o dia. Para nós, brasileiros, que utilizamos a lã prin-cipalmente no inverno, a atitude dos povos do deserto pode parecer estranha ou equi-vocada, contudo ela pode ser explicada pelo fato de que:a) a lã é um excelente isolante térmico, im-

pedindo que o calor externo chegue aos corpos das pessoas e a cor branca absorve toda a luz evitando que ela aqueça ainda mais as pessoas.

b) a lã é naturalmente quente e, num ambien-te a 50ºC, ela contribui para resfriar um pouco os corpos das pessoas.

c) a lã é um excelente isolante térmico, impe-dindo que o calor externo chegue aos cor-pos das pessoas e a cor branca reflete toda a luz, diminuindo assim o aquecimento da própria lã.

d) a lã é naturalmente quente, e o branco é uma “cor fria”. Esses fatos combinados contribuem para o resfriamento dos cor-pos daquelas pessoas.

7. (UFRGS – RS) Dois cubos metálicos com di-mensões idênticas, um de ouro (A), outro de chumbo (B), estão sobre uma placa aquece-dora, inicialmente em temperatura ambiente.

A tabela a seguir apresenta algumas das pro-priedades térmicas desses dois materiais:

Propriedades térmicasA

ouroB

chumbo

Condutividade térmica (W/m K) 317 35

Coeficiente de dilatação linear (10–6/K)

15 29

Calor específico (J/kg K) 130 130

Densidade/Massa específica (kg/m3)

19 600 11 400

Assinale a alternativa que preenche correta-mente as lacunas do texto a seguir, na ordem em que aparecem:

No topo de cada cubo é colocada uma cabe-ça de fósforo que fica em contato direto com o cubo. Os dois cubos são aquecidos a uma temperatura final levemente superior à de ig-nição do fósforo.

Com base nos dados da tabela, conclui-se que o fósforo acenderá primeiro no cubo ________ e que a aresta do cubo A será _________ do cubo B no estado de equilíbrio térmico.

a) A – menor que a b) A – maior que a

c) B – maior que ad) B – menor que ae) A – igual à


FÍSICA

17

ConvecçãoAs chaminés das indústrias têm a função de facilitar a queima do mate-

rial combustível. Para tal, ela deve permitir a entrada de ar rico em oxigênio e a saída dos gases provenientes da combustão já concluída. Por isso, é importante que elas sejam largas o suficiente para que, simultaneamente, alguns gases subam e outros desçam. Esses deslocamentos podem ocorrer naturalmente graças ao fenômeno físico chamado convecção, processo que ocorre apenas em meios líquidos e gasosos. Observe o exemplo a seguir:

Thin

ksto

ck/G

etty

Imag

es

Você sabe a razão de as chaminés de indústrias serem altas e largas?

Quando a massa de água é aquecida por uma chama, a parte de baixo é aquecida primeiramente. Isso provoca sua dilatação térmica e, devido ao aumento de volume, a densidade diminui. Assim:

d = m

V

O processo de transmissão de energia térmica por convecção é caracterizado pelo fato de os fluidos mais quentes (menos densos) subirem enquanto os mais frios (mais densos) descem, implicando o transporte de matéria e calor concomitantemente.

Por que há modelos de geladeiras que possuem o congelador na parte su-perior e suas prateleiras são vazadas enquanto outros modelos possuem prateleiras inteiriças e o freezer fica em um com-partimento anexo?

P.Im

agen

s/Vi

mo-

Moa

cir F

ranc

isco

Thin

ksto

ck/G

etty

Imag

es

Div

o. 2

010.

3D

.

Convecção de

calor em um

líquido que

está sendo

aquecido

@FIS925


1. Assinale V para as afirmações verdadeiras e F para as falsas:

a) ( ) A convecção pode ocorrer em meios sólidos.

b) ( ) A convecção pode ocorrer em meios líquidos.

c) ( ) A convecção pode ocorrer em meios gasosos.

d) ( ) A convecção pode ocorrer no vácuo.

e) ( ) A condução pode ocorrer em meios sólidos.

f) ( ) A condução pode ocorrer em meios líquidos.

g) ( ) A condução pode ocorrer em meios gasosos.

h) ( ) A condução pode ocorrer no vácuo.

2. Complete os espaços em branco com a pala-vra dada entre parênteses, que dá sentido às frases:

a) Chamamos de fluido toda matéria que se encontra nas fases e (sólida/líquida/ gasosa).

b) Quando um líquido ou um gás é aquecido, ele tende a (aumen-tar/diminuir) o seu volume e, consequente-mente, a sua densidade (aumenta/diminui). Partes de um fluido que sejam menos densas (subirão/descerão) e partes de um fluido que sejam mais densas (subirão/descerão).

3. (ENEM) Numa área de praia, a brisa marítima é uma consequência da diferença no tempo de aquecimento do solo e da água, apesar de ambos estarem submetidos às mesmas condi-ções de irradiação solar. No local (solo), que se aquece mais rapidamente, o ar fica mais

quente e sobe, deixando uma área de baixa pressão, provocando o deslocamento do ar da superfície que está mais fria (mar).

Menor pressão Brisa marítima

Menor temperatura

Brisa terrestre

Maiortemperatura

À noite, ocorre um processo inverso ao que se verifica durante o dia.

Como a água leva mais tempo para esquentar (de dia), mas também leva mais tempo para es-friar (à noite), o fenômeno noturno (brisa ter-restre) pode ser explicado da seguinte maneira:

a) O ar que está sobre a água se aquece mais; ao subir, deixa uma área de baixa pressão, causando um deslocamento de ar do con-tinente para o mar.

b) O ar mais quente desce e se desloca do continente para a água, a qual não conse-guiu reter calor durante o dia.

c) O ar que está sobre o mar se esfria e dissol-ve-se na água; forma-se, assim, um centro de baixa pressão, que atrai o ar quente do continente.

d) O ar que está sobre a água se esfria, crian-do um centro de alta pressão que atrai massas de ar continental.

e) O ar sobre o solo, mais quente, é deslocado para o mar, equilibrando a baixa tempera-tura do ar que está sobre o mar.


FÍSICA

19

Sabe-se que a condução exige algum meio material para se propagar e a convecção exige fluidos. Se entre o Sol e a Terra predomina o vácuo, como é que o calor pode se propagar entre eles?

IrradiaçãoA irradiação é um processo de transmissão de

calor que ocorre por meio de ondas eletromagnéti-cas. A luz que enxergamos, as micro-ondas emitidas por um forno, o infravermelho usado em aparelhos de fisioterapia e os raios-X usados em radiografias são exemplos de ondas eletromagnéticas. Esse tipo de onda pode se propagar tanto em meios materiais (sólidos, líquidos e gasosos) quanto no vácuo. De todas as ondas eletromagnéticas que existem, o infraver-melho é o principal responsável por transmitir calor e, por isso, em muitos livros de Física, ela é classificada como onda de calor.

©Sh

utte

rsto

ck/V

ibra

nt Im

age

Stud

io

Por terem características físicas muito parecidas, fenômenos que ocorrem com a luz visível também acontecem com o infravermelho. Superfícies metálicas e polidas podem refletir essas ondas e, por isso, alguns modelos de fornos e churrasqueiras são espelhados em sua parte interna. O objetivo é impedir que o infravermelho que incide sobre as paredes saia do ambiente. Esse espelhamento faz com que tais ondas de calor sejam refletidas para o alimento que está sendo preparado, aumentando a quantidade de energia que ele recebe e diminuindo o tempo de preparo.

Atualmente, diversas residências possuem, sob a sua cobertura, uma manta térmica, feita com ma-terial espelhado. Nas regiões de clima mais quente, o objetivo de usá-las é facilitar a reflexão das ondas eletromagnéticas que entrariam na residência e que, consequentemente, iriam aquecê-la. Em regiões frias, o objetivo da manta é evitar a perda de parte do calor emitido de dentro para fora.

Pessoas criativas conseguem unir o útil ao agradável. A parte interna das caixas de leite longa vida são feitas com um material espelhado e produzem praticamente o mesmo efeito das mantas térmicas. Assim, ao utilizá-las, é possível melhorar o conforto térmico de residências, economizando energia elétrica, além de retirar, do meio ambiente, caixas que apenas aumentariam o volume do lixo nos aterros sanitários.

Parte interna de caixas de leite longa vida

P.Im

agen

s/Pi

th

Como a constituição

da garrafa térmica

minimiza a perda de

calor pelo fenômeno

de irradiação

@FIS786


1. (PUC-Rio) O mecanismo através do qual ocor-re a perda de calor de um objeto é dependen-te do meio no qual o objeto está inserido. No vácuo, podemos dizer que a perda de calor se dá por:a) condução.

b) convecção. c) radiação.d) condução e convecção.e) convecção e radiação.

2. (UFRGS – RS) Considere as afirmações a seguir referentes aos três processos de transferência de calor:

I. A radiação pode ser refletida pelo objeto que a recebe.

II. A condução ocorre pela propagação de oscilações dos constituintes de um meio material.

III. A convecção ocorre apenas em fluidos.

Quais estão corretas?a) Apenas I.b) Apenas III.

c) Apenas I e II.d) Apenas II e III. e) I, II e III.

Informações para as questões de 3 a 5:

Todo corpo emite algum tipo de onda eletro-magnética e a intensidade dessa emissão (I) depende da temperatura absoluta (T). A Lei de Stefan-Boltzmann expressa quantitativamente essa relação pela equação I = · T4. O símbolo

refere-se a uma constante denominada de constante de Stefan-Boltzmann. A radiação recebida por um corpo pode provocar aque-cimento; e a emitida, resfriamento. Conforme a cor de um corpo, haverá uma tendência de ele absorver e emitir mais energia na forma de radiação. Corpos negros, por exemplo, absor-vem e emitem mais que os brancos.

3. Complete os espaços com a palavra adequa-da, entre as que se encontram dentro dos pa-rênteses:

a) Pela Equação de Stefan-Boltzmann, é possível concluir que a intensidade da radiação (I) emitida por um corpo é

(diretamente/in-versamente) proporcional à temperatura absoluta elevada à quarta potência. As-sim, quanto mais (quente/frio) for um corpo, maior será a intensidade emitida.

b) Quando uma pessoa se aquece por estar próxima a uma lareira, pode-se concluir que o calor se propaga até ela, principal-mente por (condu-ção/convecção/irradiação).

4. Em um ensolarado dia de verão, você vai sair com amigos para uma caminhada pela praia. De acordo com as informações apresentadas, escolha uma cor de roupa mais adequada:

5. A garrafa térmica, também chamada de vaso de Dewar, tem a função de evitar transferên-cias de calor. Se, dentro dela, for colocado um líquido mais quente que o ambiente, espera- -se que ele não esfrie e, se colocado um líqui-do mais frio, espera-se que ele não esquente. Observe o esquema a seguir:

Div

o. 2

003.

Dig

ital.

FÍSICA

Entre suas várias características, dois aspectos devem ser destacados em relação a uma gar-rafa térmica. O primeiro é que ela possui pare-des duplas, separadas por um espaço vazio, de onde foi retirado o ar e, por isso, tem-se, apro-ximadamente vácuo. O segundo é que suas superfícies, interna e externa, são espelhadas. Baseado nos conceitos de propagação de calor, explique a razão dessas duas características:

6. (UFPA) Um expressivo polo de ferro-gusa tem sido implantado ao longo da ferrovia de Ca-rajás, na região sudeste do Pará, o que en-sejou um aumento vertiginoso na produção de carvão, produzido normalmente com a utilização de fornos conhecidos como “rabos- -quentes”, que a foto a seguir ilustra. Além dos problemas ambientais causados por es-ses fornos, a questão relativa às condições altamente insalubres e desumanas a que os trabalhadores são submetidos é preocupan-te. A enorme temperatura a que chegam tais fornos propaga uma grande quantidade de calor para os corpos dos trabalhadores que exercem suas atividades no seu entorno.

Com base nas informações referidas no texto apresentado, analise as seguintes afirmações:

I. O gás carbônico (CO2) emitido pelos for-nos é um dos agentes responsáveis pelo aumento do efeito estufa na atmosfera.

II. Nas paredes do forno de argila, o calor se propaga pelo processo de convecção.

III. O calor que atinge o trabalhador se pro-paga predominantemente através do pro-cesso de radiação.

IV. O deslocamento das substâncias respon-sáveis pelo efeito estufa é consequência da propagação do calor por condução.

Estão corretas somente:a) I e II.

b) I e III.c) II e III.d) III e IV.e) II e IV.

1. (UEPG – PR) Calor pode ser conceituado como sendo uma forma de energia que é transferida de um sistema físico para outro sistema físico devido, exclusivamente, à diferença de tempe-ratura existente entre os dois sistemas. Sobre o fenômeno da transferência de calor, assinale o que for correto: (01) A transmissão do calor por convecção, em

um meio, consiste essencialmente no deslo-camento de moléculas de diferentes densi-dades, de uma região para outra desse meio.

(02) A condução do calor pode ser atribuída à transmissão da energia através de colisões en-

tre as moléculas constituintes de um corpo. Por isso, os sólidos são melhores condutores de calor do que os líquidos e do que os gases.

(04) Fluxo de calor corresponde à quantidade de calor que atravessa uma seção reta do cor-po que o conduz, na unidade de tempo.

(08) O calor, espontaneamente, se propaga do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura.

(16) Quando dois corpos, em contato, estão em equilíbrio térmico, pode-se afirmar que o fluxo de calor entre eles é constante.



2. (PUCPR) Analise as afirmações referentes à trans-ferência de calor:

I. As roupas de lã dificultam a perda de calor do corpo humano para o meio ambiente de-vido ao fato de o ar existente entre suas fi-bras ser um bom isolante térmico.

II. Devido à condução térmica, uma barra de ferro mantém-se a uma temperatura inferior a um pedaço de madeira mantida no mesmo ambiente.

III. O vácuo entre duas paredes de um recipiente serve para evitar a “perda de calor” por irra-diação.

Marque a alternativa correta:a) Apenas II está correta.b) Apenas III está correta. c) Apenas I está correta.d) I, II e III estão corretas.e) I, II e III estão erradas.

3. (ENEM) O resultado da conversão direta de ener-gia solar é uma das várias formas de energia al-ternativa de que se dispõe. O aquecimento solar é obtido por uma placa escura coberta por vidro, pela qual passa um tubo contendo água. A água circula, conforme mostra o esquema a seguir:

Radiaçãosolar

Vidro

Coletor

Placa escura

Reservatóriode água quente

Reservatóriode água fria

Água quentepara o consumo

PALZ, Wolfgang. Energia solar e fontes alternativas. São

Paulo: Hemus, 1981. Adaptação.

São feitas as seguintes afirmações quanto aos materiais utilizados no aquecedor solar:

I. O reservatório de água quente deve ser me-tálico para conduzir melhor o calor.

II. A cobertura de vidro tem como função reter melhor o calor, de forma semelhante à que ocorre em uma estufa.

III. A placa utilizada é escura para absorver me-lhor a energia radiante do Sol, aquecendo a água com maior eficiência.

Entre as afirmações acima, pode-se dizer que apenas está(ão) correta(s):

a) I.b) I e II.c) II.d) I e III. e) II e III.

4. (ENEM) Em grandes metrópoles, devido a mu-danças na superfície terrestre – asfalto e concre-to em excesso, por exemplo – formam-se ilhas de calor. A resposta da atmosfera a esse fenômeno é a precipitação convectiva. Isso explica a violên-cia das chuvas em São Paulo, onde as ilhas de calor chegam a ter 2 a 3 graus centígrados de diferença em relação ao seu entorno.

As características físicas, tanto do material como da estrutura projetada de uma edificação, são a base para compreensão de resposta daquela tecnologia construtiva em termos de conforto ambiental. Nas mesmas condições ambientais (temperatura, umidade e pressão), uma quadra terá melhor conforto térmico se:a) pavimentada com material de baixo calor es-

pecífico, pois, quanto maior o calor específico de determinado material, menor será a varia-ção térmica sofrida pelo mesmo ao receber determinada quantidade de calor.

b) pavimentada com material de baixa capacida-de térmica, pois, quanto menor a capacidade térmica de determinada estrutura, menor será a variação térmica sofrida por ela ao receber determinada quantidade de calor.

c) pavimentada com material de alta capacida-de térmica, pois, quanto maior a capacidade térmica de determinada estrutura, menor será a variação térmica sofrida por ela ao receber determinada quantidade de calor.

d) possuir sistema de vaporização, pois ambien-tes mais úmidos permitem uma mudança de temperatura lenta, já que o vapor-d’água possui a capacidade de armazenar calor sem grandes alterações térmicas, devido ao baixo calor específico da água (em relação à madei-ra, por exemplo).

e) possuir um sistema de sucção do vapor- -d’água, pois ambientes mais secos permitem uma mudança de temperatura lenta, já que o vapor-d’água permite armazenar calor sem


FÍSICA

23

grandes alterações térmicas, devido ao baixo calor específico da água (em relação à madei-ra, por exemplo).

5. (UPE) Uma das extremidades de uma barra metá-lica isolada é mantida a 100ºC, e a outra extremi-dade é mantida a 0ºC por uma mistura de gelo e água. A barra tem 60,0 cm de comprimento e uma seção reta com área igual a 1,5 cm2. O calor conduzido pela barra produz a fusão de 9,0 g de gelo em 10 minutos. A condutividade térmica do metal vale em W/mK:

(Dado: calor latente de fusão da água = 3,5 · 105 J/kg)

6. (UFC – CE) Uma barra cilíndrica reta metálica, ho-mogênea, de comprimento L, com seção trans-versal A, isolada lateralmente a fim de evitar perda de calor para o ambiente, tem suas duas extremidades mantidas a temperaturas T1 e T2, T1 > T2. Considere que o regime estacionário te-nha sido atingido.a) Escreva a expressão do fluxo de calor por con-

dução, sabendo-se que esse fluxo é proporcio-nal à área da seção transversal e à diferença de temperatura entre os extremos da região de interesse ao longo da direção do fluxo e in-versamente proporcional à distância entre tais extremos.

b) Determine a temperatura de um ponto da barra localizado a uma distância L/3 da extre-midade de maior temperatura em função de T1 e T2.

7. (UPE) Dois cilindros feitos de materiais A e B têm os mesmos comprimentos; os respectivos diâme-tros estão relacionados por dA = 2 dB. Quando se mantém a mesma diferença de temperatura entre suas extremidades, eles conduzem calor à mesma taxa. As condutividades térmicas dos ma-teriais estão relacionadas por: a) kA = kB/4b) kA = kB/2c) kA = kB

d) kA = 2kB

e) kA = 4kB

8. (UFG – GO) Um automóvel possui uma mistura aquosa em seu sistema de arrefecimento. Essa mistura é bombeada fazendo circular o calor do motor até o radiador, onde o calor é dissipado

para o meio ambiente. Um motorista liga o mo-tor desse automóvel e parte para sua viagem. Decorridos 10 minutos, ele observa, no indicador de temperatura do painel, que a mistura chega ao radiador com 90ºC e permanece em torno desse valor durante a viagem. Isso ocorre por-que:a) o radiador dissipa mais calor do que o motor

produz. b) o radiador dissipa mais calor quanto maior a

temperatura da mistura aquosa.c) o motor libera menos calor quando aquecido

acima dessa temperatura.d) o motor para de produzir calor acima dessa

temperatura.e) o radiador dissipa menos calor acima dessa

temperatura.

9. (UNESP) Um corpo I é colocado dentro de uma campânula de vidro transparente evacuada. Do lado externo, em ambiente à pressão atmosféri-ca, um corpo II é colocado próximo à campânula, mas não em contato com ela, como mostra a fi-gura:

Vácuo

I II

As temperaturas dos corpos são diferentes e os pinos que os sustentam são isolantes térmicos. Considere as formas de transferência de calor en-tre esses corpos e aponte a alternativa correta:a) Não há troca de calor entre os corpos I e II

porque não estão em contato entre si.b) Não há troca de calor entre os corpos I e II

porque o ambiente no interior da campânula está evacuado.

c) Não há troca de calor entre os corpos I e II porque suas temperaturas são diferentes.

d) Há troca de calor entre os corpos I e II e a transferência se dá por convecção.

e) Há troca de calor entre os corpos I e II e a transferência se dá por meio de radiação ele-tromagnética.


O gás nitrogênio é usado para remover e substituir o oxigênio em embalagens de verduras. Por ser inerte e evitar oxidações, o alimento se conserva por mais tempo

As usinas termelétricas movidas a carvão e a derivados de

petróleo emitem gases que contribuem com o efeito estufa.

Assim como as usinas nucleares, as termelétricas encontram- -se na mira dos ecologistas.

Entidades, como o Greenpeace, promovem movimentos pedindo a substituição dessas por outras

que utilizem fontes de energia limpa, como a solar e a eólica

Puls

ar Im

agen

s/A

le R

uaro

Mar

cos

Gom

es. 2

012.

Dig

ital.

Estudo dos gases3


FÍSICA

P.Im

agen

s/Pi

th

É inegável: os gases fazem parte do cotidiano, a começar pelo ar que se respira. São inúmeras as suas aplicações, que vão das mais simples, como inflar balões com hélio para festas de aniversário de crianças, até as mais sofisticadas, como as cirurgias oftalmológicas e abdominais nas quais são aplicados gases, como o hexafluoreto de enxofre e o dióxido de carbono. Raros são os campos de trabalho que, de alguma maneira, não utilizam gases direta ou indiretamente. Por isso, conhecer as propriedades dessa fase da matéria permite aos engenheiros e técnicos escolher o gás mais apropriado para determinada aplicação. O argônio, por exemplo, é usado, em lâmpadas incandescentes, para remover e substituir o ar atmosférico, rico em oxigênio. Essa es-colha deve-se ao fato de ele ser um gás nobre e, por isso, não reagente. Ele é incolor, insípido, inodoro e não inflamável. Se as lâmpadas fossem preenchidas com ar, quando em funcionamento, seu filamento (aquele fio que fica dentro delas) literalmente pegaria fogo, pois ele atinge cerca de 3 000ºC, temperatura suficiente para entrar em combustão, caso esteja na presença de oxigênio.

Características

Os gases podem ser classificados como fluidos e sempre ocupam todo o volume em que estiverem contidos. É relativamente fácil provocar expansões (aumento de volume) e compres-sões (diminuição de volume) em um gás. Por isso, eles são comprimidos e armazenados sob alta pressão em reforçados cilindros metálicos, para que possam ser comercializados.

Na carroceria do caminhão, observam-se cilindros de diversos gases, por isso possuem cores diferentes. Cada cor corresponde a um tipo de gás, destinado a ramos de atividades que vão de oficinas mecânicas a UTIs de hospitais. O verde, por exemplo, armazena oxigênio hospitalar.


Muitas vezes, o grande aumento de pressão faz com que o gás passe para a fase líquida. Você se lembra dos diagramas de fase? Por isso, quando dentro desses cilindros, a substância pode se encontrar na fase líquida. Ao sair do recipiente e submeter-se à pressão atmosférica, ela certamente estará na fase gasosa.

O estudo aprofundado dos gases implica certa complexidade. Assim, para evitar dificuldade excessiva e permitir uma análise quantitativa com equações matemáticas menos complexas, serão estudados os gases ideais, cujas características são as seguintes:

Lei Geral dos Gases IdeaisOs gases reais podem ser aproximados de gases ideais quando as suas temperaturas são altas e

a sua pressão é baixa. Estudar gases sob o ponto de vista da Física implica analisar três variáveis de estado: pressão (p), volume (V) e temperatura absoluta (T).

Existem duas equações que permitem um estudo quantitativo das variáveis de estado dos gases. São elas:

p1 V1

T1

= p2 V2

T2

p V = n R T

Características dos gases ideais

1.ª) Possui muitas moléculas de massa m e de volume desprezível em relação ao volume do recipiente que as contém.

2.ª) Como todo gás, seu volume é determinado pelo recipiente que o contém e suas partículas estão distribuídas, ocupando todo o volume.

3.ª) Apresentam movimento aleatório regido pelas Leis de Newton.

4.ª) A distância entre as moléculas é tão grande que não há forças de ligação entre elas, ou seja, elas estão livres.

5.ª) Choques entre partículas são do tipo perfeitamente elástico.

A ilustração apresenta um mesmo gás (o mesmo número de partículas), ocupando todo o volume de recipientes diferentes

Por que

utilizamos o

conceito de

gás ideal ou

perfeito?

@FIS576

Relação entre duas

transformações em

um gás para obter a

equação da Lei Geral

dos Gases Perfeitos

@FIS893

Volume, pressão e

temperatura de um

gás são conceitos

interligados

@FIS927


FÍSICA

27

Sendo:p pressão, cuja unidade SI é o pascal (Pa).V volume, cuja unidade SI é o metro cúbico (m3).T temperatura absoluta, cuja unidade SI é o kelvin (K).n número de mols (quantidade de matéria a qual apresenta o mesmo número de partículas que,

em 0,012 kg do isótopo-12 do carbono), cuja unidade SI é o mol (mol).R constante universal dos gases ideais, cujo valor no SI é 8,31 joules/(mol ∙ kelvin) J

mol K .

1. (UFPB) Numa indústria de engarrafamento e liquefação de gases, um engenheiro lida, frequentemente, com variações na pressão e no volume de um gás devido a alterações de temperatura. Um gás ideal, sob pressão de 1 atm e temperatura ambiente (27ºC), tem um volume V. Quando a temperatura é ele-vada para 327ºC, o seu volume aumenta em 100%. Nessa situação, a pressão do gás, em atm, é:a) 0,5 b) 1,0c) 1,5d) 2,0e) 2,5

2. (UFSM) Considere que a bola tenha um vo-lume de 4 · 10–3 m3 e que a pressão do ar, no seu interior, seja de 5 · 105 N/m2, quando a temperatura for de 27ºC. Sabendo-se que o valor da constante universal dos gases é R = 8,31 J/mol K e que o ar, nessas condições, comporta-se, aproximadamente, como gás ideal, a quantidade de ar dentro da bola, em mol, é de, aproximadamente: a) 0,8b) 1,25c) 8,8d) 80e) 160

3. (PUC-Rio) 0,5 mol de um gás ocupa um volu-me V de 0,1 m

3 quando a uma temperatura

de 300 K. Qual é a pressão do gás a 300 K? (Considere R = 8,3 J/mol · K)a) 830 Pab) 1 245 Pac) 1 830 Pa d) 12 450 Pae) 18 300 Pa

4. (IFSP) No alto de uma montanha a 8ºC, um cilindro munido de um êmbolo móvel de peso desprezível possui 1 litro de ar no seu interior. Ao levá-lo ao pé da montanha, cuja pressão é de 1 atmosfera, o volume do cilindro se reduz a 900 cm3 e sua temperatura se eleva em 6ºC. A pressão no alto da montanha é aproxima-damente, em atm, de:a) 0,66b) 0,77 c) 0,88d) 0,99e) 1,08

5. Determinada transformação gasosa mantém, durante todo o processo, a mesma pressão e, por isso, ela é denominada isobárica.

a) Na equação da Lei Geral dos Gases, simpli-fique a grandeza que permanece constante e reescreva a fórmula, suprimindo o termo simplificado:

b) Do ponto de vista matemático, como se re-lacionam as grandezas da equação obtida no item anterior? Elas são direta ou inver-samente proporcionais?


c) Esboce, qualitativamente, os gráficos abai-xo solicitados:

6. Determinada transformação gasosa mantém, du-rante todo o processo, o volume constante e, por isso, ela é denominada isovolumétrica, tam-bém chamada de isométrica ou ainda isocórica.a) Na equação da Lei Geral dos Gases, simpli-

fique a grandeza que permanece constante e reescreva a fórmula, suprimindo o termo simplificado:



7. Determinada transformação gasosa mantém, durante todo o processo, a mesma tempera-tura e, por isso, é denominada isotérmica.

a) Na equação da Lei Geral dos Gases, simpli-fique a grandeza que permanece constante e reescreva a fórmula, suprimindo o termo simplificado:



FÍSICA

29


8. Este gráfico apresenta uma transformação gasosa do estado A para o estado B:

a) Analise o gráfico e preencha os espaços com a palavra adequada entre as constan-tes nos parênteses:

Do estado A para o estado B, a pressão (aumentou/diminuiu),

o volume (aumentou/ diminuiu) e o produto PV (aumentou/diminuiu).

b) Aplicando a Lei Geral dos Gases, pode-se concluir que, de A para B, a temperatura do gás (aumentou/ diminuiu).

Teoria cinética dos gases

Foi estudado anteriormente que, nos gases, as partículas que os compõem podem possuir energia cinética translacional e rotacional, ambas associadas ao movimento. Essa energia é denominada energia interna (U) do gás, sendo seu valor tanto maior quanto maior for a sua temperatura. Para calculá-la, pode-se utilizar a equação a seguir, válida para gases monoatômicos (só possuem energia cinética de translação):

U = 3

2 n R T

Sendo:U energia interna, cuja unidade SI é o joule (J).n número de mol, cuja unidade SI é o mol (mol).R constante universal dos gases ideais, cujo valor no SI é 8,31 joules/(mol ∙ kelvin) J

mol K

T temperatura absoluta, cuja unidade SI é o kelvin (K).p pressão, cuja unidade SI é o pascal (Pa).V volume, cuja unidade SI é o metro cúbico (m3).

A equação anterior mostra que a energia interna é diretamente proporcional à temperatura absoluta (T) e, como você deve estar lembrado, temperatura está associada ao grau médio da agitação térmica das partículas.

Conceito

do zero

absoluto

@FIS461


Informações para as questões a seguir:

Algumas definições são fundamentais para o estudo dos gases e das respectivas trocas de energia entre eles e o meio externo. A seguir, estão algumas dessas definições:

I. Para as aplicações usuais, a energia in-terna (U) de um gás equivale à soma das energias cinéticas de todas as partículas da amostra.

II. A energia cinética média (ECM) é calcu-lada pela relação entre a energia interna (U) e o número (n) de partículas que com-põem o gás.

III. Temperatura é uma grandeza associa-da à agitação térmica das partículas. Por isso, no caso de um gás, ela é proporcio-nal à energia cinética média.

1. Esta tabela contém valores do número de mols e da temperatura de cinco amostras de gases:

Gás 1 2 3 4 5

n (número de mols)

2 2 1 8 30

T (tem-peratura

em K)400 800 2 000 400 200

Calcule a energia interna de cada gás.

(Dado: a constante universal dos gases tem valor igual a 8,31 J

mol K)

2. Baseado no texto e nos cálculos efetuados no exercício 1, assinale V para as afirmações ver-dadeiras e F para as falsas:

a) ( ) Comparando os gases 1 e 2, pode-se con-cluir que, para uma mesma quantidade de partículas, quanto maior for a tempe-ratura, maior será a energia interna.

b) ( ) Comparando os gases 1 e 4, pode-se concluir que, para uma mesma tempera-tura, quanto maior for a quantidade de partículas, maior será a energia interna.

c) ( ) Comparando os gases 3 e 5, pode-se concluir que, quanto maior for a tem-peratura, maior será a energia interna.

d) ( ) Comparando os gases 2 e 3, pode-se con-cluir que, quanto maior for a quantidade de partículas, maior será a energia interna.

e) ( ) Por tudo o que foi analisado nesses exer-cícios, conclui-se que a energia interna depende da quantidade de partículas e da temperatura do gás.

3. Esta tabela possui os valores inicial (U0) e final (U) da energia interna de quatro amostras de gases, os quais possuem uma mesma quanti-dade de partículas, ou seja, mesmo número de mols (n). Define-se a variação da energia interna como a diferença entre as energias fi-nal (U) e a inicial (U0). Assim: U = U – U0. Com base nessa definição, preencha a última linha da tabela:

Gás U0 U U = U – U0

1 10 20

2 5 20

3 5 5

4 10 5


FÍSICA

31

4. Qual o significado dos sinais positivo e negati-vo obtidos nos cálculos do exercício anterior?

5. Considerando as informações apresentadas e a tabela do exercício 3, complete os espaços em branco com uma das palavras que se en-contra dentro dos parênteses:

a) Se a energia interna de um gás au-menta (gás 1), pode-se afirmar que ele

(recebeu/cedeu) energia. Consequentemente, sua tempera-tura final é (maior que/menor que/igual) a temperatura inicial.

b) Se a energia interna de um gás diminui, pode- -se afirmar que ele (recebeu/cedeu) energia. Consequentemente, sua tem-peratura final é (maior que/menor que/igual) a (à) temperatura inicial.

c) Se a energia interna de um gás perma-nece constante, pode-se afirmar que, ou o gás (trocou/não trocou) energia ou então cedeu

(mais/menos/a mesma quantidade de) energia que rece-beu. Consequentemente, sua temperatura final é (maior que/me-nor que/igual) a (à) temperatura inicial.

6. Considerando o texto e a tabela do exercício 3, assinale V para as afirmações verdadeiras e F para as falsas, lembrando que os gases pos-suem o mesmo número de mols:

a) ( ) Na situação inicial, os gases 2 e 3 esta-vam em equilíbrio térmico.

b) ( ) Na situação inicial, a temperatura do gás 1 é menor que a do gás 2.

c) ( ) O gás 2 ganhou energia e o gás 4 per-deu.

d) ( ) O gás 1 aqueceu e o gás 3 resfriou.

e) ( ) O gás 2 aqueceu e o gás 4 resfriou.

f) ( ) A temperatura inicial e final do gás 3 é a mesma.

7. Preencha esta tabela que permite tirar conclusões sobre as atividades de 1 a 6 desta seção:

Quanto à energia trocada, se um gás

a energia interna do gás aumenta ou diminui?

a variação da energia interna é positiva ou negativa?

a temperatura do gás aumenta ou diminui?

recebe energia

cede energia

não troca energia

recebe a mesma quantidade de energia que cede


Pode-se afirmar que o gás realizou um trabalho e ele cedeu energia para empurrar a parede. Dessa forma, se não há outra troca de energia com o exterior, a energia interna do gás diminui e ele resfria. Em tais situações, considere-se que o trabalho tem sinal positivo, pois o êmbolo se deslocou na mesma direção e sentido da resultante das forças aplicadas pelas partículas, durante os choques delas com a parede móvel.

Compressão do gásImagine agora que um agente externo empurre o êmbolo, comprimindo o gás, ou seja, diminuindo

o seu volume. Assim:

Situação inicial Situação final

GásGás

Gás

Situação inicial Situação final

Gás

Como um gás pode receber

ou ceder energia?

Um gás pode trocar energia tanto na forma de calor quanto na forma de trabalho. Calor é energia térmica em trânsito, que passa espontaneamente de corpos de maior temperatura para corpos de menor temperatura. Trabalho está associado à transferência de energia mecânica.

O tema trocas de calor foi estudado em unidades anteriores e foi visto que, quando um corpo ganha energia térmica, esse calor pode ser classificado como positivo e, se perder, será negativo.

Note que, às vezes, fala-se em ganhar e perder energia ao invés de receber e ceder. Na verdade, a energia é sempre transformada, não se ganha ou perde energia como se ela surgisse de repente, nunca mais pudesse ser usada ou não provocasse nenhuma consequência. Contudo, quando se compreende o contexto em que são aplicados os termos ganhar e perder, não necessariamente se trata de um erro, por isso essas variações foram empregadas no material e são encontradas nas questões de vestibular.

Como um gás pode receber ou ceder energia na forma de trabalho será estudado na sequência.

Trabalho de um gásQuando um gás estiver encerrado em um recipiente fechado e uma de suas paredes for um êmbolo,

é possível que este se desloque. Nesse caso, haverá trabalho e, consequentemente, transferência de energia, fazendo com que o gás receba ou ceda energia. São duas as situações a considerar.

Expansão do gásImagine que as colisões entre as partículas do gás e o êmbolo sejam intensas o suficiente para a

parede se deslocar, aumentando o volume interno. Assim:

Ilust

raçõ

es: J

ack

Art

. 201

1. V

etor

.


FÍSICA

33

Pode-se afirmar que o gás recebeu um trabalho e recebeu energia, pois a parede o empurrou. Dessa forma, se não há nenhuma outra troca de energia com o exterior, a energia interna do gás aumenta e ele aquece. Em tais situações, considere-se que o trabalho tem sinal negativo, pois o êmbolo se deslocou no sentido contrário ao da resultante das forças aplicadas pelas partículas, durante os choques com a parede móvel.

Cálculo do trabalho de um gásExistem várias maneiras de se calcular o trabalho de um gás. É possível usar equações específicas,

método gráfico e as leis da Termodinâmica (assunto que será estudado nas duas próximas unidades).

Transformação isobáricaO trabalho ( ) realizado pela força (F) constante, exercida por um gás que provoca, sobre o êmbolo,

um deslocamento ( s), pode ser calculado pela expressão:

= F s (l)

Como a força é constante, a pressão também o é e pode ser calculada pela equação:

p = FA

(II) F = p A

Substituindo a equação II em I, tem-se: = p A s

Como o produto da área (A) pelo deslocamento ( s) equivale ao volume (V), pode-se escrever a equação da seguinte maneira:

= p V

Sendo: trabalho do gás, cuja unidade SI é o joule (J).

p pressão exercida pelo gás, cuja unidade SI é o pascal (Pa).V variação de volume, cuja unidade SI é o metro cúbico (m3).

Transformação qualquerPara qualquer transformação, é possível calcular o trabalho pela área do diagrama da pressão em

função do volume (p × V).

=N

A

Caso haja expansão, as forças que surgem das colisões das partículas do gás contra o êmbolo realizam trabalho. Usualmente, diz-se que o gás realiza trabalho e este tem sinal positivo. Caso haja compressão, diz-se que o gás recebe trabalho e este tem sinal negativo.

Pressão

V

A

2

1

V1

V2

olume

Trabalho de

um gás

@FIS464

Trabalho

em uma

compressão

isobárica

@FIS527

Alterações

nos parâme-

tros do gás

e como isso

trabalho

@FIS318

Relação entre

trabalho e

a área do

gráfico da

pressão pelo

volume

@FIS579


1. Em uma transformação sem trocas de calor, ocorre um aumento no volume do gás:a) Houve expansão ou compressão da massa

gasosa?b) Nesse caso, o gás empurrou a parede (de

dentro para fora) realizando trabalho ou o meio externo empurrou a parede (de fora para dentro) e o gás recebeu trabalho?

c) Como o trabalho corresponde à quantida-de de energia transferida de um sistema para outro, pode-se afirmar que o gás re-cebeu ou cedeu energia com o trabalho?

d) Nesse processo, o gás deve aumentar ou diminuir a sua energia interna?

e) A temperatura do gás deve aumentar ou diminuir?

f) Determine o sinal matemático do trabalho.

2. Em uma transformação sem trocas de calor, ocorre uma diminuição no volume do gás.a) Houve expansão ou compressão da massa

gasosa?b) Nesse caso, o gás empurrou a parede (de

dentro para fora) realizando trabalho ou o meio externo empurrou a parede (de fora para dentro) e o gás recebeu trabalho?

c) Como trabalho corresponde à quantidade de energia transferida de um sistema para outro, pode-se afirmar que o gás recebeu ou cedeu energia com o trabalho?

d) Nesse processo, o gás deve aumentar ou diminuir a sua energia interna?

e) A temperatura do gás deve aumentar ou diminuir?

f) Determine o sinal matemático do trabalho.

3. Calcule, para estes gráficos, o módulo do tra-balho e atribua o sinal correspondente:

a)

b)

c)

d)

4. Esta tabela deve ser preenchida com sinais ou palavras que atendam à solicitação que se encontra na primeira linha (título da respectiva coluna):

Forma como o gás trocou energia

Representação da grandeza por meio de uma letra e o respectivo sinal(Q+; Q–; +; –)

O gás recebe ou cede energia?

A energia interna aumenta ou diminui?

A variação da energia interna( U = U – U0) é positiva ou negativa?

A tempera-tura do gás aumenta ou diminui?

Somente recebe calor

Somente perde calor

Somente realiza trabalho

Somente recebe trabalho


FÍSICA

35

1. (UFRGS – RS) Considere as afirmações a seguir, sobre gases ideais:

I. A constante R presente na equação de esta-do de gases p · V = n · R · T tem o mesmo valor para todos os gases ideais.

II. Volumes iguais de gases ideais diferentes, à mesma temperatura e pressão, contêm o mesmo número de moléculas.

III. A energia cinética média das moléculas de um gás ideal é diretamente proporcional à temperatura absoluta do gás.

Quais estão corretas?

a) Apenas I. b) Apenas II.c) Apenas III. d) Apenas I e II. e) I, II e III.

2. (FUVEST – SP) Em um freezer, muitas vezes, é difí-cil repetir a abertura da porta, pouco tempo após ter sido fechado, devido à diminuição da pressão interna. Essa diminuição ocorre porque o ar que entra, à temperatura ambiente, é rapidamente resfriado até a temperatura de operação, em tor-no de –18ºC. Considerando um freezer domés-tico, de 280 L, bem vedado, em um ambiente a 27ºC e pressão atmosférica P0, a pressão interna poderia atingir o valor mínimo de:

Considere que todo o ar no interior do freezer, no instante em que a porta é fechada, está à temperatura do ambiente.

a) 35% de P0 b) 50% de P0

c) 67% de P0 d) 85% de P0

e) 95% de P0

3. (PUC-Rio) Seja um mol de um gás ideal a uma temperatura de 400 K e à pressão atmosférica po. Esse gás passa por uma expansão isobárica até dobrar o seu volume. Em seguida, esse gás passa por uma compressão isotérmica até voltar a seu volume original. Qual a pressão ao final dos dois processos?a) 0,5 p0 b) 1,0 p0

c) 2,0 p0 d) 5,0 p0

e) 10,0 p0

4. (UFAL) Um gás ideal possui, inicialmente, volu-me V0 e encontra-se sob uma pressão p0. O gás passa por uma transformação isotérmica, ao fi-nal da qual o seu volume torna-se igual a V0/2.

Em seguida, o gás passa por uma transformação isobárica, após a qual seu volume é 2V0. Deno-tando a temperatura absoluta inicial do gás por T0, a sua temperatura absoluta ao final das duas transformações é igual a:a) T0/4 b) T0/2c) T0 d) 2T0

e) 4T0

5. (UFSM – RS)

Gás ideal Vácuo

A figura representa um sistema formado por um recipiente rígido, isolado termicamente e dividi-do em dois compartimentos, um com gás ideal e outro com vácuo. Se a divisória interna do siste-ma é retirada:

a) a vizinhança realiza trabalho sobre o sistema.b) o sistema realiza trabalho sobre a vizinhança. c) a energia interna do sistema permanece cons-

tante.d) a energia interna do sistema aumenta.e) parte da energia interna do sistema flui para a

vizinhança.

6. (UNESP) Uma bexiga vazia tem volume desprezí-vel; cheia, o seu volume pode atingir 4,0 · 10–3 m3. O trabalho realizado pelo ar para encher essa be-xiga, à temperatura ambiente, realizado contra a pressão atmosférica, num lugar onde o seu valor é constante e vale 1,0 · 105, é no mínimo de:a) 4 J b) 40 J c) 400 J d) 4 000 Je) 40 000 J

7. (PUC-Rio) Uma quantidade de gás passa da tem-peratura de 27ºC = 300 K a 227ºC = 500 K, por um processo a pressão constante (isobárico) igual a 1 atm = 1,0 · 105 Pa.

a) Calcule o volume inicial, sabendo que a massa de gás afetada foi de 60 kg e a densidade do gás é de 1,2 kg/m3.

b) Calcule o volume final e indique se o gás so-freu expansão ou contração.

c) Calcule o trabalho realizado pelo gás.


Olhando para as pessoas, em especial para aquelas por quem se tem afeição, dificilmente faz-se relação com máquinas. Porém, do ponto de vista das leis da Termodinâmica, não há problema em assim classificá-las, pois, no que diz respeito à energia, o seu “funcionamento” pode ser explicado pelos mesmos conceitos usados para entender um automóvel, por exemplo. Em um ser humano ou em uma geladeira, as trocas e transformações de energia são calculadas pelas mesmas equações. Sob o aspecto “quantidade de energia gasta”, um homem em repouso pode ser comparado a uma lâmpada cuja potência é de 100 watts, pois, mesmo dormindo, coração, rins, fígado e outros órgãos continuam ativos, cedendo energia para manter o seu funcionamento.

Voltando à comparação “corpo humano × carro”, também há semelhança entre a gasolina e os alimentos, pois estes são a fonte da energia, que se transforma em energia útil para cumprir as fun-ções que cada uma dessas “máquinas” propõe-se a realizar. Porém, nem toda a energia recebida é aproveitada; uma parte é cedida na forma de calor. São essas trocas energéticas o objeto de estudo das leis da Termodinâmica.

©Sh

utte

rsto

ck/d

ean

bert

once

lj

©Sh

utte

rsto

ck/w

aveb

reak

med

ia lt

d

Qual a semelhança entre um carro e o corpo humano?

1.a Lei da Termodinâmica 4


FÍSICA

1.a Lei da Termodinâmica

A 1.ª Lei da Termodinâmica é, sem dúvida, uma das mais impor-tantes leis da Física. Ela explica e quantifica as trocas de energia ocorridas em qualquer objeto, até mesmo em uma estrela longínqua. Mas, para entender essa lei e aplicá-la a qualquer sistema, considere um modelo simples. Tome-se por referência um gás preso em um re-cipiente em que uma de suas paredes é um êmbolo. Se esse modelo for compreendido, será possível entender melhor o funcionamento do Universo.

Você já sabe que um gás pode receber ou ceder energia na forma de calor ou na forma de trabalho. Quando recebe mais do que cede, sua energia interna aumenta, causando o aquecimento da massa gasosa. Mas, se ele ceder mais energia do que receber, a energia interna diminuirá e, consequente-mente, ocorrerá resfriamento. Caso o gás receba e ceda a mesma quantidade de energia, sua energia interna não variará e as temperaturas inicial e final serão as mesmas. Como não se perde nem se cria energia, mas se transforma ou se transfere de um sistema para outro, energias trocadas na forma de calor e trabalho provocam variação da energia interna.

Enunciado e equação da 1 .a Lei da

TermodinâmicaA 1.ª Lei da Termodinâmica, que também pode ser entendida como a própria Lei da Conservação

da Energia, é enunciada da seguinte maneira:

A diferença entre as energias trocadas na forma de calor (Q) e as trocadas na forma de trabalho ( ) provoca variação da energia interna ( U).

Usando uma linguagem matemática, pode-se escrever:

U = Q –

Para que essa equação seja utilizada de maneira a expressar adequadamente as trocas de energia ocorridas, é indispensável o uso adequado dos símbolos e sinais matemáticos estudados na unidade anterior.

Jack

Art

. 201

1. V

etor

.

Definição da

equação da 1a.

Lei da Termo-

dinâmica

@FIS580

Explicação

da divisão de

um sistema

termodinâ-

mico

@FIS463

1. Em Termodinâmica, as quantidades de energia trocadas são representadas por letras ( U, Q, ) e sinais (+ ou –), que simbolizam os fenôme-nos ocorridos. Traduza, para a linguagem de sinais, os fenômenos descritos a seguir:a) O gás recebe calor:

b) O gás perde calor: c) O gás realiza trabalho:

d) O gás recebe trabalho:e) A energia interna do gás aumenta:

f) A energia interna do gás diminui:

2. Um gás recebe 50 cal de energia na forma de calor e realiza um trabalho de 30 cal.a) Converta as informações acima para a lin-

guagem de sinais da Termodinâmica. b) O gás ganhou energia na forma de calor ou

trabalho?c) O gás perdeu energia na forma de calor ou

trabalho?d) O gás ganhou mais energia que perdeu ou

perdeu mais energia que ganhou? e) Calcule a variação da energia interna do gás:

f) O gás aqueceu ou resfriou?

3. Um gás recebe 30 cal de energia na forma de calor e recebe um trabalho de 10 cal.

a) Converta as informações acima para a lin-guagem matemática da Termodinâmica.

b) O gás ganhou energia na forma de calor ou trabalho?

c) O gás perdeu energia na forma de calor ou trabalho?

d) O gás ganhou mais energia que perdeu ou perdeu mais energia que ganhou?

e) Calcule a variação da energia interna do gás.

f) O gás aqueceu ou resfriou?

4. Um gás perde 20 J de energia na forma de calor e realiza um trabalho de 30 J.a) Converta as informações acima para a lin-

guagem de sinais da Termodinâmica.b) O gás ganhou energia na forma de calor ou

trabalho? c) O gás perdeu energia na forma de calor ou

trabalho? d) O gás ganhou mais energia que perdeu ou

perdeu mais energia do que ganhou? e) Calcule a variação da energia interna do

gás. f) O gás aqueceu ou resfriou?

5. Um gás perde 20 J de energia na forma de calor e recebe um trabalho de 20 J.a) Converta as informações acima para a lin-

guagem de sinais da Termodinâmica. b) O gás ganhou energia na forma de calor ou

trabalho? c) O gás perdeu energia na forma de calor ou

trabalho?d) O gás ganhou mais energia do que perdeu

ou perdeu mais energia do que ganhou? e) Calcule a variação da energia interna do gás: f) O gás aqueceu ou resfriou?

No cotidiano, as pessoas em geral não mostram preocupação em quantificar os fenômenos físicos que as rodeiam, muito menos em simbolizá-los com letras e sinais. Mesmo assim, tais fenômenos acontecem e fazem parte de suas vidas.

Uma panela de pressão que esteja no fogo, por exemplo, recebe calor (Q +) da chama. Esse calor fará com que a água que está dentro da panela seja aquecida até entrar em ebulição, transformando-se em vapor. Inicialmente, enquanto a válvula de segurança estiver fechada, esse vapor ficará aprisionado, acumulando- -se entre a tampa e a água líquida. Assim, pode-se tratar a transformação gasosa como, aproximadamente, isovolumétrica e a equação da Lei Geral dos Gases será escrita da seguinte maneira:



p1

T1

= p2

T2

A equação acima mostra que, para os gases, “pressão e temperatura” são grandezas diretamente proporcio-nais. Mantido o volume constante, não há realização de trabalho ( = 0) e o aumento de temperatura implicará o aumento da energia interna ( U +), ou seja, a energia recebida pelo gás, na forma de calor, é totalmente convertida em energia interna.

Nessa situação, pode-se escrever a 1.ª Lei da Termodinâmica da seguinte forma:

U = Q – U (+) = Q (+)

Quando a pressão aumenta o suficiente para que a válvula da panela se abra, acontece uma expansão gasosa e, consequentemente, a realização de trabalho. Por isso, a transformação deixa de ser isovolumétrica.

1. Esta tabela apresenta, na 1.ª coluna, os nomes de algumas transformações gasosas. Nas colunas se-guintes, deverá ser feita uma análise dessas transformações com base na 1.ª Lei da Termodinâmica:

Nome da transformação gasosa

Variável de estado constante (p, V, T)

Qual grandeza(Q, , U) é nula?

Reescreva a equação da 1.ª Lei, suprimindo, se houver, o termo nulo.

Isovolumétrica (isométrica, isocórica)

Isotérmica

Isobárica

2. Um gás perde 50 cal na forma de calor e a transformação é do tipo isocórica.a) Determine o valor do trabalho no SI.b) O gás realiza trabalho sobre o meio ou re-

cebe trabalho do meio?c) Devido ao trabalho, o gás recebe energia

do meio ou cede energia para o meio?d) Calcule a variação da energia interna.e) Nessa situação, a temperatura do gás au-

menta ou diminui?

3. Ao receber 100 cal de energia, na forma de calor, um gás sofre uma transformação isotér-mica. Uma transformação isotérmica é caracte-rizada por ser lenta, havendo, assim, tempo su-ficiente para que o gás troque calor com o meio externo e mantenha a temperatura constante.a) Calcule a variação da energia interna.

b) Nessa situação, a temperatura do gás au-menta ou diminui?

c) Determine o valor do trabalho no SI.

d) O gás realiza trabalho sobre o meio ou re-cebe trabalho do meio?

e) Devido ao trabalho, o gás recebe energia do meio ou cede energia para o meio?

4. Em uma transformação isobárica, cuja pres-são exercida pelo gás é de 10 N/m2, ocorre um aumento de volume de 0,5 m3.a) Determine o valor do trabalho no SI, lembran-

do-se de que, para transformações isobáricas, o trabalho pode ser calculado pela equação

= p · V.b) O gás realiza trabalho sobre o meio ou re-

cebe trabalho do meio?c) Devido ao trabalho, o gás ganha energia

do meio ou cede energia para o meio?d) Se, durante essa expansão, o gás recebeu

20 J de energia na forma de calor, qual a variação da energia interna?

e) Nessa situação, a temperatura do gás au-menta ou diminui?

FÍSICA


5. (UFPel – RS) De acordo com seus conhecimen-tos sobre Termodinâmica, analise as afirmati-vas a seguir:

I. Sempre que um corpo muda de fase, sob pressão constante, ele recebe ou cede ca-lor e a sua temperatura varia.

II. Quando se tem uma transformação iso-bárica, de certa massa de um gás perfeito, o aumento da temperatura fará com que aconteça um aumento de volume.

III. Certa massa de um gás perfeito pode re-ceber calor sem que a sua temperatura

interna aumente. Isso ocorrerá se ele re-alizar um trabalho igual à quantidade de calor que recebeu.

IV. Em um processo de transformação isocó-rico, a temperatura de certa massa de um gás permanece constante.

Dessas afirmativas, estão corretas apenas:

a) I e III. b) I, II e III. c) II e III. d) II e IV.e) II, III e IV.

©Sh

utte

rsto

ck/P

icsfi

ve

Normalmente, o termo aerossol está associado às latas de spray, porém o seu significado é mais amplo. Aerossol são partículas sólidas ou líquidas suspensas em um gás. Na atmosfera, há muitas partículas como essas, por isso existem satélites destinados a estudá-los, pois sabe-se que exercem influência sobre o clima do planeta Terra.

Voltando aos sprays, a 1.ª Lei da Termodinâmica pode explicar a razão de sentirmos frio na ponta do dedo, quando apertamos o pino e liberamos o aerossol. Mas, para entender a razão desse fenômeno, antes precisamos saber que, dentro dessas latinhas, há um líquido (perfume, desodorante, óleo lubrificante, inseticida, entre outras opções) e muito gás comprimido (propano e butano, na maioria dos casos). Como o gás é colocado na latinha sob pressão maior que a atmosférica, quando o pino é liberado, ele age como um propelente, deslocando-se para o meio externo e levando consigo

partículas do líquido. Devido à grande diferença de pressão, o gás sai com alta velocidade pelo pequeno orifício, caracterizando uma rápida expansão (aumento de volume). Pelo fato de a transformação gasosa ocorrer em um curto intervalo de tempo, pode-se considerar que não há trocas de calor, por isso esse processo pode ser classificado como adiabático.

O termo adiabático é usado para expressar transformações que ocorrem sem troca de calor, mas isso não significa que não ocorram trocas de energia. Lembre-se de que trabalho também é uma maneira de se trocar energia e provocar variação na energia interna e na temperatura. Analisando uma expansão adiabática sob o olhar da 1.ª Lei da Termodinâmica, pode-se escrever:

U = Q – U (–) = – (+)

Observe que o sinal negativo que aparece do lado direito do sinal de igual e à esquerda do símbolo de trabalho ( ) vem da própria equação. O sinal positivo entre parênteses, que está do lado direito do símbolo de trabalho ( ), é o atribuído a essa grandeza, afinal trata-se de uma expansão. Como consequência matemática, o sinal da variação da energia interna ( U) será negativo, o que expressa satisfatoriamente o fenômeno físico ocorrido. Como o gás realiza trabalho sem trocar calor, ele perde energia no processo de expansão e, por isso, sua energia interna diminui ( U negativo). Assim, o gás resfria, causando uma sensação de frio na ponta do dedo de quem aperta o pino de uma lata de aerossol.


FÍSICA

41

1. Um gás sofreu uma expansão adiabática, ou seja, seu volume aumentou em um curto in-tervalo de tempo, não permitindo trocas de calor. Nesse processo, a energia trocada na forma de trabalho foi de 20 J.a) O gás realizou trabalho sobre o meio ou

recebeu trabalho do meio?b) Devido ao trabalho, o gás recebeu energia

do meio ou cedeu energia para o meio?c) Escreva, matematicamente, com símbolo e

sinal adequados, o valor do trabalho.d) Qual foi a quantidade de calor trocada com

o meio externo? Responda, usando a sim-bologia matemática apropriada.

e) Calcule a variação da energia interna. f) Nessa situação, a temperatura do gás au-

mentou ou diminuiu? g) Conclui-se, então, que uma expansão adia-

bática provoca aumento ou diminuição na temperatura de um gás?

2. Um gás sofre uma compressão adiabática, ou seja, o seu volume diminui em um curto intervalo de tempo, não permitindo trocas de calor. Nesse processo, a energia trocada na forma de trabalho foi de 30 J.a) O gás realizou trabalho sobre o meio ou

recebeu trabalho do meio?b) Devido ao trabalho, o gás recebeu energia

do meio ou cedeu energia para o meio?c) Escreva, matematicamente, com símbolo e

sinal adequados, o valor do trabalho.d) Qual a quantidade de calor trocada com o

meio externo? Responda, usando a simbo-logia matemática apropriada.

e) Calcule a variação da energia interna.f) Nessa situação, a temperatura do gás au-

mentou ou diminuiu?

g) Conclui-se, então, que uma compressão adiabática provoca aumento ou diminui-ção na temperatura de um gás?

3. (FGV – SP) Entre as transformações realizadas por um gás ideal, é certo que:a) não há variação da energia interna nas

transformações isobáricas.b) a temperatura se mantém constante, tanto

nas transformações isotérmicas quanto nas isométricas.

c) nas transformações adiabáticas não há troca de calor entre o gás e o recipiente que o contém.

d) não há realização de trabalho nas transfor-mações isotérmicas, uma vez que nelas o volume não varia.

e) tanto a pressão quanto o volume do gás se mantêm constante nas transformações isométricas.

4. (UFU – MG) Um botijão de cozinha contém gás sob alta pressão. Ao abrirmos esse bo-tijão, percebemos que o gás escapa rapida-mente para a atmosfera. Como esse processo é muito rápido, podemos considerá-lo como um processo adiabático.

Considerando que a 1.ª Lei da Termodinâmica é dada por U = Q – W, onde U é a varia-ção da energia interna do gás, Q é a energia transferida na forma de calor e W é o traba-lho realizado pelo gás, é correto afirmar que:

a) a pressão do gás aumentou e a temperatu-ra diminuiu.

b) o trabalho realizado pelo gás foi positivo e a temperatura do gás não variou.

c) o trabalho realizado pelo gás foi positivo e a temperatura do gás diminuiu.

d) a pressão do gás aumentou e o trabalho realizado foi negativo.

Transformações cíclicasMotores de automóveis ou caminhões, entre outros, são máquinas térmicas que obedecem

à 1.ª Lei da Termodinâmica. Os gases comprimidos dentro de seus cilindros empurram os pistões e fazem os veículos andarem. Quem adquire um carro, por exemplo, espera que o seu motor funcione por muito tempo, justificando o investimento. Inclusive, não se fabrica um motor para que ele realize trabalho apenas uma vez, de modo que, todo motor deve operar ciclicamente.

Aplicação

do conceito

da 1a. Lei da

Termodinâmica

em uma estação

produtora de

energia elétrica

@FIS319


Mas o que é operar em ciclos? Para a Física, um ciclo é uma sequência de transformações, que começa e termina em um mesmo ponto, repetindo-se periodicamente. Em outras palavras, pode-se dizer que o seu estado final (p, V, T) coincide com o inicial (p0, V0, T0), por isso a variação da energia interna ( U) é nula. Isso se justifica pelo fato de a temperatura final ser igual à inicial, de modo que as energias internas inicial (U0) e final (U) também são iguais.

Existem variadas maneiras de se representar um ciclo, porém uma das mais compactas e esclarecedoras é a forma gráfica. O diagrama da pressão em função do volume, apresentado a seguir, traz um exemplo:

Os gráficos são uma forma de comunicação importante, pois permitem sintetizar informações, faci-litando os cálculos e as conclusões. O diagrama p × V, que representa uma transformação gasosa, tem como uma de suas principais propriedades permitir o cálculo do trabalho por meio da área sob a curva.

Para calcular o trabalho de um ciclo, pode-se tanto somar os trabalhos de cada etapa (AB, BC, CD, DA) quanto calcular a área interna da figura formada pela sequência de transformações. No exemplo anterior, a figura formada é um retângulo. Dependendo das sucessivas transformações, variadas figuras podem ser formadas.

Como expansões representam trabalho positivo e compressões, negativo, tem-se:

+A –A

É importante saber que cada tipo de transformação gasosa é representada por um gráfico caracte-rístico. Identificar e relacionar a transformação respectivamente ao seu gráfico pode melhorar muito a compreensão das transformações cíclicas. A tabela a seguir traz os principais tipos de transformação e seus respectivos diagramas:

Nome da transformação gasosa O que há de diferente nessa transformação Diagrama p × V

Isobárica A pressão permanece constante.

Isovolumétrica (isométrica, isocórica) O volume permanece constante.

IsotérmicaA temperatura permanece constante. Essa transformação é lenta, permitindo as trocas de calor necessárias para que a temperatura não se altere.


FÍSICA

43

Nome da transformação gasosa O que há de diferente nessa transformação Diagrama p × V

Adiabática

O gás não troca calor. Essa transformação ocorre em situações em que o gás é expandido ou comprimido tão rapidamente que não há tempo para que ocorram trocas de calor ou quando as paredes do recipiente são perfeitamente isoladas.

1. Este diagrama da pressão (p), em função do vo-lume (V), representa uma transformação gasosa AB. Analise o gráfico e responda às questões:

a) A transformação gasosa AB é uma expansão ou compressão?

b) Como essa transformação pode ser classifi-cada?( ) Isobárica. ( ) Isocórica.( ) Isotérmica. ( ) Adiabática.

c) Utilizando a Lei Geral dos Gases e as infor-mações extraídas do gráfico, identifique se a temperatura aumentou, diminuiu ou per-maneceu constante.

d) Nesse caso, a variação da energia interna ( U) é positiva, negativa ou nula?

e) Analisando a transformação pelos respecti-vos sinais das grandezas envolvidas e pela equação da 1ª. Lei da Termodinâmica, con-clui-se que o gás ganhou, perdeu ou não trocou calor?


a) A transformação gasosa AB é uma expan-são ou uma compressão?




e) Analisando a transformação pelos respectivos sinais das grandezas envolvidas e pela equação da 1ª. Lei da Termodinâmica, conclui-se que o gás ganhou, perdeu ou não trocou calor?


a) A transformação gasosa AB é uma expan-são ou compressão?





e) Analisando a transformação pelos respecti-vos sinais das grandezas envolvidas e pela equação da 1ª. Lei da Termodinâmica, con-clui-se que o gás ganhou, perdeu ou não tro-cou calor?


a) A transformação gasosa AB é uma expansão ou compressão?


c) Utilizando a Lei Geral dos Gases e as infor-mações extraídas do gráfico, identifique se a temperatura aumentou, diminuiu ou perma-neceu constante.


e) Analisando a transformação, conclui-se que o gás ganhou, perdeu ou não trocou calor?

5. (UFRGS – RS) O gráfico a seguir representa o ciclo de uma máquina térmica ideal:

O trabalho total realizado em um ciclo é:

a) 0 J b) 3,0 J c) 4,5 J d) 6,0 J

e) 9,0 J

6. (UPE) O diagrama PV para uma determinada amostra de gás está representado na figura a seguir. Se o sistema é levado do estado a para o estado b, ao longo do percurso acb, fornece- -se a ele uma quantidade de calor igual a 100 cal, e ele realiza um trabalho de 40 cal. Se, por meio do percurso adb, o calor fornecido é de 72 cal, então o trabalho realizado vale em cal:

a) 28 b) 60 c) 12 d) 40e) 24

7. (ITA – SP) Três processos compõem o ciclo termodinâmico ABCA mostrado no diagrama P × V da figura. O processo AB ocorre à tempe-ratura constante. O processo BC ocorre a volu-me constante com decréscimo de 40 J de ener-gia interna e, no processo CA, adiabático, um trabalho de 40 J é efetuado sobre o sistema. Sabendo-se também que, em um ciclo comple-to, o trabalho total realizado pelo sistema é de 30 J, calcule a quantidade de calor trocada du-rante o processo AB.

8. (PUCRS) O ciclo Otto é um ciclo termodinâmi-co constituído por dois processos adiabáticos e dois processos isovolumétricos, como mostra o gráfico que segue:

FÍSICA

Num motor que opera segundo este ciclo, um pistão inicialmente na posição corresponden-te ao máximo volume, estado 1, comprime o ar até que atinja o volume mínimo, estado 2. Então ocorre a combustão, resultando em um súbito aumento da pressão enquanto o vo-lume permanece constante, levando o ar ao estado 3. O processo que segue é a ejeção de potência quando o ar expande adiabati-camente para o estado 4. No processo final, calor é transferido para a vizinhança e o ciclo é completado.

A partir das informações obtidas pela análise do gráfico representativo do ciclo Otto e de acordo com as leis da Termodinâmica, é cor-reto afirmar que:

a) o calor líquido trocado no ciclo é nulo, vis-to que a temperatura final é igual à tempe-ratura inicial.

b) o sistema realiza um trabalho líquido nulo durante o ciclo, pois o volume final é igual ao volume inicial.

c) o trabalho realizado no processo de com-pressão adiabática é maior do que o reali-zado no processo de expansão adiabática.

d) o sistema absorve calor durante a compres-são adiabática e rejeita calor durante a ex-pansão adiabática.

e) a variação da energia interna no ciclo é zero, porque o estado final é igual ao esta-do inicial.

1. (UNESP) Um recipiente contendo um certo gás tem seu volume aumentado graças ao trabalho de 1 664 J realizado pelo gás. Neste processo, não houve troca de calor entre o gás, as paredes e o meio exterior. Considerando que o gás seja ideal, a energia de 1 mol desse gás e a sua tem-peratura obedecem à relação U = 20,8T, onde a temperatura T é medida em kelvin e a energia U em joule. Pode-se afirmar que nessa transforma-ção a variação de temperatura de um mol desse gás, em kelvin, foi de:a) 50 b) –60 c) –80 d) 100 e) 90

2. (UDESC) O gráfico a seguir apresenta dois pro-cessos termodinâmicos distintos, utilizados para levar uma massa gasosa de gás ideal de uma temperatura inicial T

0 até uma temperatura T

x. O

primeiro (A) é um processo isobárico e o segun-do (B) é um processo isocórico.

Analise as afirmativas a seguir, relacionadas aos processos termodinâmicos descritos no gráfico:

I. A variação de energia interna do gás foi a mesma nos dois processos.

II. A quantidade de calor fornecida ao gás foi a mesma nos dois processos.

III. A temperatura Tx é maior do que a tempera-

tura T0.

Assinale a alternativa correta:a) Somente a afirmativa III é verdadeira.b) Somente as afirmativas I e II são verdadeiras. c) Somente as afirmativas I e III são verdadeiras.d) Somente a afirmativa II é verdadeira.e) Todas as afirmativas são verdadeiras.

3. (UFRJ) Um gás ideal se encontra em um estado de equilíbrio termodinâmico A no qual tem vo-lume V

0 e pressão p

0 conhecidos. O gás é então

comprimido lentamente até atingir um estado de equilíbrio termodinâmico B no qual seu volu-me é V

0/3.

Sabendo que o processo que leva o gás do esta-do A ao estado B é o indicado pelo segmento de reta do diagrama, e que os estados A e B estão em uma mesma isoterma, calcule o calor total QAB cedido pelo gás nesse processo.



4. (UFV) A figura a seguir ilustra um processo ter-modinâmico em um gás. Sabendo que durante o processo ABC a variação da energia interna do gás foi igual a U e que o trabalho realizado pelo gás no processo BC foi igual a W, então a quantidade de calor transferida ao gás no processo ABC foi:

a) U + VA (PA – PC) + W b) U + PA (VB – VA) − W

c) U + VC (PA – PC) + W d) U + PA (VB – VA) + W

5. (UFLA) O Ciclo de Carnot é constituído de duas transformações isotérmicas a temperaturas T1 e T2 e duas transformações adiabáticas. Considere o diagrama P × V a seguir e o sentido do ciclo ABCDA. É correto afirmar:

a) As variações da energia interna U nos proces-sos BC e DA são nulas.

b) As variações da energia interna U nos proces-sos AB e CD são nulas.

c) A temperatura associada ao processo isotér-mico AB é menor do que a temperatura asso-ciada ao processo isotérmico CD.

d) Ao final do ciclo ABCDA, o trabalho realizado é igual à variação da energia interna U de ciclo.

6. (UECE) No diagrama P-V a seguir, quatro proces-sos termodinâmicos cíclicos executados por um gás, com seus respectivos estados iniciais, estão representados. O processo no qual o trabalho re-sultante, realizado pelo gás, é menor é o:

a) I. b) J. c) K. d) L.

7. (UFSC) Admita uma máquina térmica hipotética e ideal que funcione de acordo com o ciclo re-presentado no gráfico de pressão versus volume (p × V) a seguir:

Sabendo que a transformação CD é adiabática, com base na 1ª. Lei da Termodinâmica e no gráfi-co acima, assinale a(s) proposição(ões) correta(s):(01) A transformação BC é isotérmica. A ener-

gia absorvida pelo gás na forma de calor é transformada parcialmente em trabalho.

(02) Na transformação AB o gás sofre uma ex-pansão isobárica, realizando um trabalho de 1,6 kJ sobre a vizinhança.

(04) Sabendo que a temperatura T2 vale 900 K, podemos afirmar que a temperatura T1 vale 1 260 K e a pressão no estado C vale aproxi-madamente 6,22 · 105 Pa.

(08) Na transformação cíclica – ABCDEA – apre-sentada, a variação da energia interna é zero, ou seja, a temperatura não varia du-rante todo o ciclo.

(16) A transformação CD é uma compressão adiabática, onde a temperatura do gás di-minui devido ao trabalho realizado sobre a vizinhança.

(32) A transformação EA é isocórica. O aumento da temperatura do sistema, e consequen-temente o aumento da energia interna, se deve ao calor recebido da vizinhança.

8. (UFMS) A figura da esquerda mostra um êmbolo no interior de um cilindro que está contido no interior de uma câmara. O cilindro está imerso em água com gelo, e a câmara isola termicamen-te todo o sistema das vizinhanças. O ar contido no interior do cilindro está em equilíbrio térmico com todo o sistema a 0ºC e sua pressão é igual à pressão atmosférica externa. O cilindro pode trocar calor apenas com a água, o ar e o gelo. Em seguida, é colocado um tijolo bruscamente sobre o êmbolo, comprimindo rapidamente o


FÍSICA

47

ar no interior do cilindro. Após um certo tempo, todo o sistema água e gelo volta novamente ao equilíbrio térmico de 0ºC, mas a pressão do ar, no interior do cilindro, fica maior que a pressão atmosférica. Com fundamentos na Termodinâ-mica e considerando que o ar é um gás ideal e que não há vazamentos, é correto afirmar:

ArAr

(01) O produto da pressão do ar pelo volume que ele ocupa é igual nas duas situações de equilíbrio.

(02) Na situação representada pela figura da direi-ta, existe menos massa de gelo que na situa-ção representada pela figura da esquerda.

(04) A partir da situação representada pela figu-ra da esquerda, até a situação representa-da pela figura da direita, a transformação sofrida pelo ar pode ser compreendida por dois processos termodinâmicos, o primeiro adiabático e o segundo isobárico.

(08) A partir da situação representada pela figu-ra da esquerda até a situação representada pela figura da direita, a temperatura do ar permaneceu sempre constante.

(16) Não haverá troca de calor entre o cilindro e a água, mesmo depois de jogar o tijolo e esperar atingir o novo equilíbrio.

9. (UFRJ) Um gás ideal em equilíbrio termodinâ-mico tem pressão de 1,0 · 105 N/m2, volume de 2,0 · 10–3 m3 e temperatura de 300 K. O gás é aquecido lentamente à pressão constante recebendo uma quantidade de 375 J de calor até atingir um volume de 3,5 · 10–3 m3, no qual permanece em equilíbrio termodinâmico.a) Calcule a temperatura do gás em seu estado

final de equilíbrio. b) Calcule a variação da energia interna do gás

entre os estados inicial e final.

10. (UNIFESP) Em um trocador de calor fechado por paredes diatérmicas, inicialmente o gás monoa-tômico ideal é resfriado por um processo isocó-rico e depois tem seu volume expandido por um

processo isobárico, como mostra o diagrama pressão versus volume:

a) Indique a variação da pressão e do volume no processo isocórico e no processo isobárico e determine a relação entre a temperatura ini-cial, no estado termodinâmico a, e final, no estado termodinâmico c, do gás monoatômi-co ideal.

b) Calcule a quantidade total de calor trocada em todo o processo termodinâmico abc.

11. (UPE) No diagrama PV, a seguir, está represen-tada uma série de processos termodinâmicos. No processo ab, 250 J de calor são fornecidos ao sistema, e, no processo bd, 600 J de calor são fornecidos ao sistema.

Analise as afirmações que se seguem:

I. O trabalho realizado no processo ab é nulo.

II. A variação de energia interna no processo ab é 320 J.

III. A variação de energia interna no processo abd é 610 J.

IV. A variação de energia interna no processo acd é 560 J.

É correto afirmar que apenas as(a) afirmações(ão):

a) II e IV estão corretas.b) IV está correta. c) I e III estão corretas.d) III e IV estão corretas.e) II e III estão corretas.


Você sabe o significado dos números 1.0, 1.4, 1.8, 2.0, entre outros, que normalmente aparecem estampados na traseira de veículos?

Esquema de um cilindro de motor de automóvel que indica o momento em que gases se expandem e realizam trabalho,

provocando o movimento do veículo. Quanto maior for o tamanho dos cilindros, mais trabalho ele pode realizar e mais

potente será o motor

P.Im

agen

s/Pi

th

P.Im

agen

s/Pi

th

P.Im

agen

s/Pi

th

Basicamente, o motor de um automóvel é consti-tuído por cilindros fechados por êmbolos. Quando ar e vapores de combustível explodem, ocorrem rápidas expansões, por isso realizam trabalho. Parte dessa energia (trabalho) é convertida em energia cinética, fazendo o carro andar.

Div

o. 2

010.

3D

.

A capacidade de um motor é designada pela soma dos volumes dos cilindros que o compõe. Carros populares, por exemplo, preferidos por pessoas que valorizam a economia de combustível, possuem especificações, por exemplo, 1.0 ou 1 000. Esses números informam que a soma dos volumes dos cilindros equivale a 1,0 litro ou 1 000 cm3, respectivamente. Como a maioria dos carros possui quatro cilindros, cada um deles tem 250 cm3. Quanto maior for o volume de cada cilindro, mais trabalho pode ser realizado, por isso maior será a potência do motor e, consequentemente, o seu consumo de combustível.

2.a Lei da Termodinâmica5


FÍSICA

Máquina térmica

A sociedade atual é dependente de energia. Transformar suas variadas formas em outras que sejam úteis tornou-se uma prática constante. A energia elétrica é necessária para alimentar os apa-relhos eletroeletrônicos; a energia mecânica é fundamental para movimentar carros, aviões, tratores, caminhões, etc. Para se obter energia elétrica, pode-se aproveitar, por exemplo, a energia mecânica da água em uma usina hidrelétrica. Para se obter a energia mecânica necessária para mover um carro, pode-se aproveitar o calor (energia térmica) obtido na combustão da gasolina, do álcool ou do GNV.

Motores de automóveis ou qualquer outro equipamento que promova transformação de energia térmica (calor – Q) em energia mecânica (trabalho – ) são chamados de máquinas térmicas.

Define-se máquina térmica como sendo toda máquina capaz de converter calor em trabalho.

Perder para ganhar Imagine uma inusitada máquina cuja função seja a de levantar caixa da posição 1 para a posição 2,

conforme apresentado na figura 1 a seguir:

Jack

Art

. 201

1. V

etor

.

Para que a caixa saia da posição 1 e chegue à posição 2, o gás contido no cilindro deve empurrar o êmbolo, realizando um trabalho. Para tal, a vela (fonte quente – FQ) cede para o gás uma quantidade de energia. Esta é responsável por aumentar a temperatura do gás (aumento de energia interna) e por realizar o trabalho de 1 até 2. Depois disso, a máquina precisará retornar à posição inicial para buscar a próxima caixa a ser levada de 1 para 2. Para que isso ocorra, ela precisará passar por um processo de compressão. Uma máquina, normalmente, não é construída para realizar uma única tarefa e depois ser descartada. Nesse exemplo, não seria conveniente que ela levasse apenas uma caixa, parasse, deixasse de funcionar e fosse jogada fora. Por isso, ela deverá operar ciclicamente, ou seja, de modo contínuo, sendo necessário que ela perca calor para uma fonte fria (FF), representada pelos blocos de gelo (figura 3). Ao perder calor, ocorre compressão, o êmbolo volta à posição inicial e um novo ciclo se reinicia. Portanto, de toda a energia que ela recebe da fonte quente (Q1), uma parte é transformada em trabalho ( ) e outra é cedida para a fonte fria (Q2). Obviamente, quanto menos calor ela ceder e quanto mais energia for aproveitada na forma de trabalho, melhor será.

Ciclos de

funcionamento

de uma máquina

térmica

@FIS581


Nos dicionários, é possível encontrar diversas definições para a palavra “perder”, tais como: “deixar de ter alguma coisa útil”, “sofrer prejuízo”, “não conseguir o que se deseja”, entre outras. Todas essas definições estão associadas a algo ruim. Mas, especificamente no caso de uma máquina térmica, perder calor, no sentido de cedê-lo à fonte fria, não é necessariamente algo ruim, pois faz parte de seu funcionamento cíclico.

2.a Lei da Termodinâmica

Para que uma máquina térmica possa funcionar de modo contínuo (ciclicamente), é necessário que esteja entre duas fontes, sendo uma mais quente (TQ – temperatura da fonte quente, em kelvin) e outra mais fria (TF – temperatura da fonte fria, em kelvin). Ela deve repetir uma sequência de trans-formações, formando um ciclo.

A palavra “ciclo” remete a uma transformação fechada, que se repete periodicamente. Retirar calor de uma fonte quente (Q1), converter parte desse calor em trabalho ( ) e perder o restante da energia para a fonte fria (Q2) são processos que se repetem e que garantem à máquina térmica um funcionamento contínuo.

Diagrama de fluxo de uma máquina térmica

Toda essa discussão é sintetizada na 2a. Lei da Termodinâmica, cujo enunciado pode ser escrito da seguinte maneira:

É impossível construir uma máquina que, operando em ciclos, retire calor de uma fonte e o transforme integralmente em trabalho.

Rendimento da máquina térmicaApesar de ser inevitável perder parte da energia obtida da fonte quente, é óbvio que o desperdício

deve ser evitado e, por isso, sempre é necessário avaliar se determinada máquina aproveita a energia que recebe da melhor forma possível. Para efetuar tal verificação, usa-se um conceito físico chamado rendimento, que relaciona a energia útil (trabalho – ) e a energia total de entrada no sistema, cedida pela fonte quente (Q1). Quanto maior for o seu valor, mais econômica será a máquina, ou seja, mais energia útil será obtida da energia total gasta no ciclo.

O rendimento pode ser calculado pela seguinte equação:

= Q1

Explica a 2a. Lei da

Termodinâmica

utilizando uma

máquina térmica

que emite calor

para o radiador

@FIS326


FÍSICA

51

Sendo: rendimento, grandeza adimensional que expressa o percentual de energia térmica que foi

convertida em trabalho útil. trabalho, cuja unidade SI é o joule (J).

Q1 calor recebido da fonte quente, cuja unidade SI é o joule (J).

Engenharia MecânicaO engenheiro mecânico utiliza conhecimentos de Matemática e Ciências, em especial da Física, para

construir, analisar, manter e operar diversos sistemas e equipamentos. Exemplos das avançadas máquinas desenvolvidas por engenheiros mecânicos são as turbinas e os motores à combustão.

Normalmente, esse profissional está interessado em gerar a maior potência possível com um motor, desperdiçando o mínimo de energia. Para isso, é fundamental que ele tenha domínio das leis e grandezas da Termodinâmica, como as transformações cíclicas e os rendimentos possíveis de serem extraídos delas.

Nos motores térmicos, os dois ciclos mais empregados são os de Otto (utilizado no motor à gasolina, por exemplo) e Diesel. Neles, combustíveis, como óleo diesel, gasolina, álcool etílico, óleos vegetais, álcool me-tílico, gás natural, biogás e GLP são usados para o seu funcionamento.

1. Uma máquina térmica retira, a cada ciclo, 10 000 cal de energia térmica de uma fonte quente e perde 6 000 cal para uma fonte fria.a) Determine o trabalho realizado por ciclo, em unidades de SI.

b) Calcule o rendimento dessa máquina.c) Qual o significado do resultado obtido no item anterior?

2. Na primeira coluna deste quadro, são colocados os rendimentos de algumas máquinas térmicas. Preencha as segunda e terceira colunas, respondendo às solicitações feitas:

Rendimento da máquina térmica

Significado do rendimento da coluna anterior

O rendimento referente à primeira coluna é possível?

0,07

0,25

1

4

3. Uma máquina térmica possui rendimento de 30%. Admitindo-se que essa máquina receba 15 000 J por ciclo, calcule:a) o trabalho por ela realizado.b) a quantidade de calor perdida para a fonte fria.

O que é uma máquina

de movimento

perpétuo do primeiro

e segundo tipos?

@FIS533


4. Assinale V para as afirmações verdadeiras e F para as falsas:

a) ( ) Toda máquina operando em ciclos pos-sui rendimento de 100%.

b) ( ) Máquinas térmicas convertem calor em trabalho.

c) ( ) Máquinas térmicas convertem variadas formas de energia em trabalho.

d) ( ) O rendimento de determinada má-quina é de 0,1. Isso expressa que ela perde para a fonte fria apenas 10% da energia que recebe.

e) ( ) Se uma máquina realiza trabalho de 5 J e perde para a fonte fria 15 J, conclui-se que recebeu 20 J da fonte quente.

5. (UFSCAR – SP)

Inglaterra, século XVIII. Hargreaves patenteia sua máquina de fiar; Arkwright inventa a fian-deira hidráulica; James Watt introduz a impor-tantíssima máquina a vapor. Tempos modernos!

ALENCAR, F.; C; RAMALHO, L. C.; RIBEIRO, M. V. T. His-tória da sociedade brasileira. Rio de Janeiro: Ao Livro Técnico, 1985.

As máquinas a vapor, sendo máquinas térmi-cas reais, operam em ciclos de acordo com a 2.ª Lei da Termodinâmica. Sobre estas máqui-nas, considere as três afirmações seguintes:

I. Quando em funcionamento, rejeitam para a fonte fria parte do calor retirado da fonte quente.

II. No decorrer de um ciclo, a energia interna do vapor-d’água se mantém constante.

III. Transformam em trabalho todo calor re-cebido da fonte quente.

É correto o contido apenas em:

a) I. b) II. c) III. d) I e II. e) II e III.

6. (UEG – GO) Uma máquina térmica percorre o ciclo descrito pelo gráfico a seguir. A máquina absorve 6,0 · 10

5 J de energia térmica por ciclo.

Responda ao que se pede:

a) Qual é a variação na energia interna no ci-clo ABCA? Justifique.

b) Calcule o trabalho realizado pelo motor em um ciclo.

c) Calcule a quantidade de energia térmica transmitida à fonte fria.

d) Calcule o rendimento dessa máquina térmica.

7. (ENEM) A eficiência de um processo de con-versão de energia, definida como sendo a razão entre a quantidade de energia ou tra-balho útil e a quantidade de energia que en-tra no processo, é sempre menor que 100%, devido a limitações impostas por leis físicas. A tabela a seguir mostra a eficiência global de vários processos de conversão:

EFICIÊNCIA DE ALGUNS SISTEMAS DE CONVERSÃO DE ENERGIA

Sistema Eficiência

Geradores elétricos 70 – 99%

Motor elétrico 50 – 95%

Fornalha a gás 70 – 95%

Termelétrica a carvão 30 – 40%

Usina nuclear 30 – 35%

Lâmpada fluorescente 20%

Lâmpada incandescente 5%

Célula solar 5 – 28%

HINRICHS, R. A.; KLEINBACH, M. Energia e meio ambiente. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2003. (Adaptação).

Se essas limitações não existissem, os siste-mas mostrados na tabela, que mais se bene-ficiariam de investimentos em pesquisa para terem suas eficiências aumentadas, seriam aqueles que envolvem as transformações de energia:

a) mecânica energia elétrica.b) nuclear energia elétrica.c) química energia elétrica.d) química energia térmica. e) radiante energia elétrica.


FÍSICA

53

Ciclo de CarnotNicolas Sadi Carnot (1796-1832), físico francês, publicou em

1824 um livro que se tornou um marco na história da ciência: Re-flexões sobre a potência motriz do fogo e sobre as máquinas pró-prias para desenvolver essa potência. Nesse livro, ele descreve uma máquina térmica ideal, sem atritos, que opera ciclicamente entre duas fontes cujas temperaturas são diferentes e constantes. Com estudos teóricos, ele concluiu que o máximo rendimento ocorria quando o ciclo era constituído por duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas, conforme o gráfico ao lado:

Apesar de a máquina de Carnot oferecer o maior rendimento possível de ser atingido entre duas determinadas temperaturas (fonte quente e fonte fria), é importante ressaltar que esse ciclo é ideal e, na prática, não se consegue atingi-lo. Assim, nenhuma máquina térmica, operando em ciclos entre duas temperaturas, conseguirá rendimento igual ou maior que o de uma máquina de Carnot, cujo valor pode ser obtido pela seguinte equação:

= 1 – TF

TQ

Sendo: rendimento, grandeza admensional, que expressa o percentual de energia térmica que foi

convertida em trabalho útil.TF temperatura absoluta da fonte fria, cuja unidade SI é o kelvin (K).TQ temperatura absoluta da fonte quente, cuja unidade SI é o kelvin (K).

1. Este gráfico representa um Ciclo de Carnot. Com base nele, preencha as células do quadro, colo-cando uma das palavras que se encontra nos parênteses imediatamente após a pergunta feita na primeira linha de cada coluna.

TRANSFORMAÇÕES

GASOSAS

O que ocorre com o

volume?

(Expansão, compressão, não varia.)

Qual a classificação

de cada transformação?

(Isotérmica, isocórica, isobárica, adiabática.)

O que ocorre com a

temperatura?

(Aumenta, diminui, permanece constante.)

Qual o sinal da

variação da energia

interna?

( U +, U –, U = 0)

AB

BC

CD

DA

Histórico

da teoria

desenvolvida

por Carnot

@FIS323

O Ciclo de

Carnot e o

cálculo do

trabalho

envolvido

nesse ciclo

utilizando a

1a. Lei da Ter-

modinâmica

@FIS468


2. Toda transformação cíclica começa e termina em um mesmo ponto. Por isso, as temperatu-ras inicial e final são iguais.a) Qual deve ser a variação da energia interna

ao término de um ciclo? b) Durante o ciclo, a energia interna perma-

neceu constante?

3. Determinada máquina térmica ideal opera entre as temperaturas de 127ºC e –73ºC. Responda:a) Qual o máximo rendimento possível para

essa máquina?b) Considerando que ela seja uma máquina

real, qual será o seu rendimento?

4. (UEL – PR) Uma das grandes contribuições para a ciência do século XIX foi a introdução, por Sadi Carnot, em 1824, de uma lei para o rendimento das máquinas térmicas, que veio a se transformar na lei que conhecemos hoje como 2ª. Lei da Termodinâmica. Na sua ver-são original, a afirmação de Carnot era: todas as máquinas térmicas reversíveis ideais, ope-rando entre duas temperaturas, uma maior e outra menor, têm a mesma eficiência, e ne-nhuma máquina operando entre essas tem-peraturas pode ter eficiência maior do que uma máquina térmica reversível ideal. Com base no texto e nos conhecimentos sobre o tema, é correto afirmar:a) A afirmação, como formulada originalmen-

te, vale somente para máquinas a vapor, que eram as únicas que existiam na época de Carnot.

b) A afirmação de Carnot introduziu a ideia de Ciclo de Carnot, que é o ciclo em que ope-ram, ainda hoje, nossas máquinas térmicas.

c) A afirmação de Carnot sobre máquinas térmicas pode ser encarada como uma ou-tra maneira de dizer que há limites para a possibilidade de aprimoramento técnico, sendo impossível obter uma máquina com rendimento maior do que a de uma máqui-na térmica ideal.

d) A afirmação de Carnot introduziu a ideia de Ciclo de Carnot, que veio a ser o ciclo em que operam, ainda hoje, nossos moto-res elétricos.

e) Carnot viveu em uma época em que o pro-gresso técnico era muito lento, e sua afir-mação é hoje desprovida de sentido, pois o progresso técnico é ilimitado.

5. Neste quadro, são apresentadas três máqui-nas térmicas, operando em ciclos entre fontes de calor, nas temperaturas 300 K e 500 K:

Máquina

Calor recebido

da fonte quente

em unidade SI

Trabalho

realizado em

unidade SI

A 10 000 10 000

B 12 000 6 000

C 8 000 3 000

Essas máquinas são possíveis de serem cons-truídas?

6. (CFTMG) Um processo cíclico de Carnot pos-sui um rendimento de 50%. Uma máquina real, que opera sob as mesmas condições tér-micas desse ciclo, apresentará um rendimen-to térmico r, tal que:a) r 50%. b) r = 50%.c) r > 50%. d) r < 50%.

Motores à combustãoOs motores à combustão são máquinas térmicas que obedecem

às leis da Termodinâmica, pois retiram calor de uma fonte quente (queima do combustível), realizam trabalho (movimento do veículo, transporte de cargas) e perdem calor para uma fonte fria (escapamento, radiador, peças, ambiente). A maioria deles utiliza um ciclo composto por quatro tempos ou estágios e, para entendê-los, é importante conhecer as peças principais que compõem um motor à combustão interna. Observe a figura ao lado:

Cesa

r Sta

ti. 2

011.

Vet

or.

Observe o funcionamento de um

motor a combustão interna para

compreender o Ciclo de Otto

@FIS529


FÍSICA

55

Cilindro: local onde ocorre explosão, expansão e compressão dos gases.Vela: componente que libera uma fagulha para provocar explosão dos gases que se encontram dentro do cilindro.Válvula de admissão: dispositivo que funciona como uma porta, permitindo a entrada de gases que sofrerão combustão.Válvula de escape: dispositivo que funciona como uma porta, permitindo a saída de gases após sofrerem combustão.Pistão: êmbolo que, durante a expansão dos gases, empurra o virabrequim, fazendo a roda do carro girar. Na etapa final de um ciclo, o pistão empurra os gases queimados para fora do cilindro, fazendo-os saírem pela válvula de escape.

1.o tempo – admissão e

expansãoNo início dessa etapa, o pistão encontra-se na posição

mais elevada possível, por isso o volume interno do cilindro é o menor de todo o ciclo. Ao descer, abre-se a válvula de admissão para que entre ar e vapores de combus-tível (gasolina, álcool ou GNV). No momento em que o pistão atinge o limite de seu curso, o volume interno do cilin-dro tem valor máximo e a válvula de admissão é fechada. Durante toda essa etapa, a tempera-tura está próxima a do ambiente, e a pressão é constante e igual à da atmosfera.

2.o tempo – compressãoCom as válvulas de

admissão e exaustão fe-chadas, o êmbolo sobe rapidamente, compri-mindo adiabaticamente a mistura de ar e vapores de combustível. Nessa etapa, há aumento de pressão e aquecimento adiabático.

3 .o tempo – explosão e

expansãoO terceiro estágio começa com a liberação de uma fagulha

produzida pela vela de ignição. Os gases presentes no cilindro são inflamáveis, portanto ocorre uma forte explosão. Como não há tempo de o pistão se mover, haverá um grande aumen-to da pressão e da tempe-ratura, mas o volume per-manecerá constante. Em seguida, o gás queimado expande-se rapidamente e o êmbolo é empurrado até que o cilindro atinja o volume máximo, realizan-do o trabalho que provoca o movimento do veículo. Como consequência da expansão adiabática (rá-pida), a temperatura e a pressão interna diminuem.

4.o tempo – exaustãoA válvula de escape

se abre e, como o gás está sob pressão maior que a da atmosfera, parte dele sai rapidamente do cilindro, e a pressão in-terna diminui até um va-lor igual ao da atmosfe-ra. Em seguida, o pistão empurra o que sobrou da massa gasosa queimada, esvaziando o cilindro, e a válvula de escape se fecha para que um novo ciclo seja iniciado.

Ilust

raçõ

es: D

ivo.

201

0. 3

D.


Como funciona uma geladeira?Você sabia que as geladeiras são máquinas térmicas que operam às avessas?

Para entender o seu funcionamento, é importante conhecer seus quatro compo-nentes principais: o compressor (1), o condensador ou radiador (2), a válvula de expansão ou tubo capilar (3) e o congelador ou evaporador (4).

O congelador (4) é constituído por uma serpentina (cano comprido cheio de dobras para ocupar menos espaço). Dentro dele, há um líquido sob baixa pressão e também a baixa temperatura, chamado fluido refrigerante, responsável por receber o calor dos alimentos. Ao receber esse calor, o fluido vaporiza (líquido para gasoso) e é sugado pelo compressor (1). Em seguida, o vapor é imediatamente em-purrado para o condensador (2), o qual também pode ser denominado de radiador, pois tanto a sua aparência quanto a sua função são idênticas às de um radiador de automóvel. Ele é posicionado na parte traseira externa para que o gás possa trocar calor enquanto percorre a serpentina do radiador. Como o compressor executa

uma compressão adiabática, a temperatura e a pressão do vapor são elevadas, por isso o fluido perde calor para o ambiente. Pelo fato de perder calor, ocorre condensação, ou seja, o vapor volta para a fase líquida. Mas, embora tenha perdido calor para o ambiente, o fluido refrigerante ainda está aquecido e sob alta pressão. Para que volte a ficar frio e assim possa receber calor dos alimentos que estão dentro da geladeira, ele passa por uma estreita válvula de expansão (3) que comunica o condensador (2) com o congelador (4). Saindo da válvula e entrando no evaporador (congelador), há uma expansão adiabática e, consequentemente, uma diminuição da temperatura e da pressão. Dessa forma, o processo se reinicia, caracterizando uma transformação cíclica, que também obedece às leis da Termodinâmica.

RefrigeradorCalor é uma forma de energia que, espontaneamente, vai do corpo mais quente para o mais frio. Para

que ocorra o contrário, ou seja, para o calor se propagar do mais frio para o mais quente, é necessário provocar tal fluxo. A máquina que realiza essa tarefa é chamada de bomba de calor, e aparelhos de ar-condicionado e refrigeradores podem se enquadrar nessa classificação.

Mar

cos

Gom

es. 2

011.

Dig

ital.

Diagrama de fluxo de uma geladeira


FÍSICA

57

Assim, comparando um refrigerador com uma máquina térmica, há os seguintes diagramas de fluxo:

O refrigerador ideal é aquele que descreve um Ciclo de Carnot no sentido anti-horário e nenhum refrigerador pode ser mais eficiente que ele.

Eficiência de um refrigeradorA relação entre a energia útil, ou seja, o calor retirado da fonte fria (Q2) e a energia total de entrada

no sistema (trabalho recebido: ), é denominada eficiência ou coeficiente de desempenho.

e = Q2

Essa grandeza é similar àquela chamada de rendimento das máquinas térmicas, porém há uma diferença importante entre elas. Enquanto o rendimento é necessariamente menor que 1, ou seja, menor que 100%, a eficiência pode assumir valores menores, maiores ou mesmo iguais a 1. Se for maior, por exemplo, a eficiência indicará que a quantidade de energia retirada da fonte fria é maior do que o trabalho realizado para executar essa tarefa.

Qual é o rendimento térmico do motor de um carro?

Trabalho

realizado pelo

gás no Ciclo

de Carnot do

lado esquerdo

@FIS530

Conceito de

eficiência

de máquinas

térmicas

utilizadas na

refrigeração

@FIS531


1. Um refrigerador recebe, a cada ciclo, 100 J de calor da sua parte interna devido a um traba-lho de 20 J que ela recebe.a) Determine a quantidade de energia descar-

tada para o ambiente externo.b) Calcule a eficiência dessa máquina.

c) Qual é o significado do resultado obtido no item anterior?

2. Na primeira coluna deste quadro, são coloca-das as eficiências de algumas bombas de ca-lor. Preencha a segunda e a terceira colunas, respondendo ao que se pede:

Eficiência da bomba de calor

Significado da eficiência da

coluna anterior

A eficiência refe-rente à primeira

coluna é possível ou impossível?

0,07

0,25

1

5

3. Uma geladeira possui coeficiente de desempe-nho igual a 4. Admitindo-se que essa máquina receba 100 J de trabalho por ciclo, calcule:a) a quantidade de calor retirada da fonte fria.b) a quantidade de calor perdida para a fonte

quente.

4. (ENEM) No Brasil, o sistema de transporte depende do uso de combustíveis fósseis e de biomassa, cuja energia é convertida em mo-vimento de veículos. Para esses combustíveis, a transformação de energia química em ener-gia 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 ex-

pelidos para trás.e) na carburação, com a difusão do combus-

tível no ar.

5. (UFSM) Um condicionador de ar, funcionando no verão, durante certo intervalo de tempo, con-some 1 600 cal de energia elétrica, retira certa quantidade de energia do ambiente que está sendo climatizado e rejeita 2 400 cal para o exte-rior. A eficiência desse condicionador de ar é:a) 0,33 b) 0,50c) 0,63 d) 1,50e) 2,00

1. (UFAL) A cada ciclo de funcionamento, o motor de um certo automóvel retira 40 kJ do comparti-mento da fonte quente, onde se dá a queima do combustível, e realiza 10 kJ de trabalho. Saben-do que parte do calor retirado da fonte quente é dispensado para o ambiente (fonte fria) a uma temperatura de 27ºC, qual seria a temperatura no compartimento da fonte quente se esse mo-tor operasse segundo o Ciclo de Carnot?

(Dado: considere que as temperaturas em graus centígrados, TC, e kelvin, TK, se relacionam pela expressão TC = TK –273)

a) 127ºC b) 177ºCc) 227ºC d) 277ºCe) 377ºC

2. (ENEM)

A invenção da geladeira proporcionou um apro-veitamento dos alimentos, ao permitir que fos-sem armazenados e transportados por longos períodos. A figura apresentada ilustra o proces-so 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

Aplicação de bombas

térmicas utilizadas

no aquecimento

@FIS583


FÍSICA

59

externa da geladeira. É por meio dos processos de compressão, que ocorre na parte externa, e de expansão, que 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: 19 out. 2008. (Adaptado).

Nos processos de transformação de energia en-volvidos 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 iso-lado termicamente do ambiente externo for o seu compartimento interno.

e) a energia retirada do interior pode ser devol-vida à geladeira abrindo-se a sua porta, o que reduz seu consumo de energia.

3. (ENEM) O esquema mostra um diagrama de bloco de uma estação geradora de eletricidade abastecida por combustível fóssil:

Gases dacombustão Vapor

Caldeira

Condensador

Turbina Gerador

Eletricidade

Saída H O quente2

EntradaH O fria

2

Bomba

LíquidoCombustível+ ar

Lago

HINRICHS, R. A.; KLEINBACH, M. Energia e meio ambiente. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2003. (Adaptado).

Se fosse necessário melhorar o rendimento dessa usina, que forneceria eletricidade para abastecer uma cidade, qual das seguintes ações poderia resultar em alguma economia de energia, sem afetar a capacidade de geração da usina?

a) Reduzir a quantidade de combustível forneci-do à usina para ser queimado.

b) Reduzir o volume de água do lago que circula no condensador de vapor.

c) Reduzir o tamanho da bomba usada para de-volver a água líquida à caldeira.

d) Melhorar a capacidade dos dutos com vapor conduzirem calor para o ambiente.

e) Usar o calor liberado com os gases pela chami-né para mover um outro gerador.

4. (PUCSP) Um automóvel com motor 1.0 (volume de 1,0 litro), conhecido pelo seu menor consumo de combustível, opera com pressão média de 8 atm e 3 300 rpm (rotações por minuto), quando mo-vido à gasolina. O rendimento desse motor, que consome, nestas condições, 4,0 g/s (gramas por segundo) de combustível, é de aproximadamente:

(Considere: calor de combustão da gasolina = 11 100 cal/g; 1 atm = 105 N/m2; 1 cal = 4 J; 1L = 10-3 m3; 1 rotação corresponde a 1 ciclo.)a) 18%b) 21% c) 25%d) 27%e) 30%

5. (UFMS) Um refrigerador é uma máquina termo-dinâmica que pode ser representada pelo dia-grama a seguir. Quando o refrigerador está em pleno regime de funcionamento, Q2 representa o calor que é retirado do congelador, enquanto Q1 representa o calor que é expelido para o ambien-te externo, e W é o trabalho realizado sobre essa máquina termodinâmica por meio de um motor/compressor. A eficiência de refrigeradores é defi-nida como a razão entre o calor Q2 e o trabalho W, isto é, e = Q2/W, tendo valores situados entre 5 e 7. Alguns refrigeradores possuem, no interior do congelador, uma lâmpada L para iluminação, que desliga automaticamente quando se fecha a porta do congelador. Considere um refrigera-dor com eficiência e constante igual a 5 (cinco), quando em pleno funcionamento, que a lâmpa-da L, no interior do congelador, possui potên-cia igual a 15 watts, e que toda a sua potência


elétrica consumida (15 W), quando está ligada, é convertida em calor. Considere que todos os isola-mentos térmicos do refrigerador sejam perfeitos. Com fundamentos na Termodinâmica e na Eletro-dinâmica, assinale a(s) proposição(ões) correta(s):

CONGELADOR

AMBIENTE

MOTOR

Q2

Q1

W

Lâmpada L (15 W)z

(01) Quando o refrigerador está em pleno fun-cionamento, a taxa de calor retirada do congelador é cinco vezes maior que a taxa de energia elétrica consumida pelo motor.

(02) Quando o refrigerador está em pleno fun-cionamento, a taxa de calor, expelida para o ambiente, é menor que a taxa de calor retirada do congelador.

(04) Quando o refrigerador está em pleno fun-cionamento, e se a lâmpada L estiver ligada, para a temperatura do congelador perma-necer invariável, a potência elétrica consu-mida pelo refrigerador será acrescida de um valor maior que 15 W.

(08) Se, desde que ligarmos um refrigerador, deixarmos a porta dele aberta, no interior de uma sala isolada termicamente, a tem-peratura interna da sala diminuirá enquan-to o refrigerador estiver ligado.

(16) Não existe um refrigerador que, em pleno fun-cionamento, retire calor do congelador, expe-lindo-o para um ambiente que esteja a uma maior temperatura, sem consumir energia.

6. (PUCRS) Para responder à questão, considere o texto e o gráfico, o qual relaciona o rendimento de uma máquina de Carnot e a razão T2/T1 das temperaturas em que opera a máquina.

O Ciclo de Carnot é um ciclo termodinâmico es-pecial, pois uma máquina térmica, que opera de acordo com este ciclo entre duas tempera-turas T1 e T2, com T1 maior do que T2, obtém o

máximo rendimento possível. O rendimento r de uma máquina térmica é definido como a razão entre o trabalho líquido que o fluido da máquina executa e o calor que absorve do reservatório à temperatura T1.

120

100

80

60

40

20

0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

T /T2 1

r (%)

Pode-se concluir, pelo gráfico e pelas leis da Ter-modinâmica, que o rendimento da máquina de Carnot aumenta quando a razão T2/T1 diminui:

a) alcançando 100% quando T2 vale 0ºC.b) alcançando 100% quando T1 é muito maior do

que T2.c) alcançando 100% quando a diferença entre T1

e T2 é muito pequena.d) mas só alcança 100% porque representa o ci-

clo ideal. e) mas nunca alcança 100%.

7. (UFG – GO) A máquina térmica é um dispositivo que pode tanto fornecer energia para um siste-ma quanto retirar.

p (10 N/m )5 2

2,0

1,0

0 1,0 2,0 2,5 3,0 V (m )3

A B

CD

Considere que a máquina térmica opera com um gás ideal em um sistema fechado, conforme o ciclo ilustrado acima. De acordo com o exposto:

a) calcule o trabalho total em ciclo. b) explique como ela opera, ou seja, qual é a sua

função? Justifique a sua resposta.c) calcule a temperatura no ponto C, consideran-

do que a temperatura do ponto A é de 300 K.


FÍSICA

61

Anotações

62

Anotações


FÍSICA

63

Anotações

64

Anotações

Documents

Estudo dos gases e Termodinâmicaprepapp.positivoon.com.br/assets/Modular/FISICA/SPE_ER15... · 2019-08-29 · 6 Estudo dos gases e Termodinâmica Relação entre pressão e temperatura