Questões Sobre 1º Lei da Termodinâmica - Física - concurso

As turbinas a vapor da propulsão nuclear de um submarino possuem um rendimento de 15% e são capazes de produzir uma potência mecânica constante de 40MW nos eixos rotativos. Se essa potência é entregue em 3,0 minutos, observa-se que a variação de entropia do sistema vapor-turbinas é (1/12) GJ/K . A temperatura, em °C, do vapor superaquecido produzido pelo reator nuclear vale, aproximadamente

• A)327
• B)303
• C)247
• D)207
• E)177

Para encontrar a resposta correta, vamos analisar o problema passo a passo. Primeiramente, é importante lembrar que a potência mecânica é dada pela fórmula P = ΔQ / Δt, onde ΔQ é a variação de energia e Δt é o tempo. No caso, a potência mecânica é de 40MW e o tempo é de 3,0 minutos, que é igual a 180 segundos.

Convertendo a potência de MW para J/s (joules por segundo), temos 40MW = 40.000.000 J/s. Agora, podemos calcular a variação de energia ΔQ utilizando a fórmula P = ΔQ / Δt:

ΔQ = P × Δt = 40.000.000 J/s × 180 s = 7.200.000.000 J

Agora, vamos lembrar que a variação de entropia é dada pela fórmula ΔS = ΔQ / T, onde T é a temperatura em Kelvin. No problema, a variação de entropia é (1/12) GJ/K, que é igual a 83.333 J/K.

Para encontrar a temperatura, vamos rearranjar a fórmula ΔS = ΔQ / T para T = ΔQ / ΔS:

T = ΔQ / ΔS = 7.200.000.000 J / 83.333 J/K ≈ 865 K

Por fim, para encontrar a temperatura em graus Celsius, basta subtrair 273,15 de T:

t ≈ 865 K - 273,15 K = 591,85 °C ≈ 303 °C

Portanto, a resposta correta é B) 303.

Para calcular o rendimento da máquina, precisamos utilizar a fórmula de eficiência de Carnot, que é dada por η = 1 - (Tc / Th), onde η é o rendimento, Tc é a temperatura do reservatório frio e Th é a temperatura do reservatório quente.

No nosso caso, temos que Th = 300 K e Tc = 200 K. Substituindo esses valores na fórmula, obtemos:

η = 1 - (200 / 300)

η = 1 - 2/3

η = 1/3

O rendimento da máquina é de 1/3 ou 33,33%. No entanto, precisamos calcular a eficiência real da máquina, que é dada pelo quociente entre o trabalho realizado e o calor absorvido. Nesse caso, a máquina absorve 250 J de calor e realiza um trabalho de 250 - 200 = 50 J.

A eficiência real da máquina é então:

η_real = 50 / 250

η_real = 0,2

Ou seja, a eficiência real da máquina é de 20%. A opção correta é, portanto, a letra E).

É importante notar que a eficiência real da máquina é menor do que a eficiência teórica, pois a máquina não é ideal e há perdas de energia durante o processo. Além disso, a escolha da opção certa depende de uma análise cuidadosa dos dados e da aplicação das fórmulas corretas.

Em resumo, o rendimento da máquina é de 20%, que é a opção E).

Utiliza-se a seguinte notação para um determinado sistema termodinâmico: "todo calor fornecido (Q) ao sistema para que ele produza trabalho (W) é positivo e todo trabalho cedido pelo mesmo é positivo." Baseado nessa notação e sendo ΔU a variação da energia interna do sistema, pode-se escrever a Primeira Lei da Termodinâmica como:

• A)ΔU = Q-W
• B)ΔU = - Q - W
• C)ΔU = - Q + W
• D)ΔU = Q + W
• E)Δ2U = O2 - W2

O gabarito correto é A).

A Primeira Lei da Termodinâmica, também conhecida como Lei da Conservação da Energia, é fundamental para entender como a energia se comporta em um sistema termodinâmico. Ela afirma que a variação da energia interna do sistema (ΔU) é igual ao calor adicionado ao sistema (Q) menos o trabalho realizado pelo sistema (W). Isso significa que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas convertida de uma forma para outra.

É importante notar que a energia interna do sistema (U) é uma função de estado, ou seja, depende apenas do estado atual do sistema e não da maneira como ele alcançou esse estado. Já o calor (Q) e o trabalho (W) são funções de processo, ou seja, dependem da maneira como a energia é adicionada ou removida do sistema.

A Primeira Lei da Termodinâmica tem várias aplicações práticas em diferentes áreas, como a engenharia, a física e a química. Ela é fundamental para projetar e otimizar sistemas que envolvem transferência de calor e trabalho, como motores, refrigeração e sistemas de aquecimento.

Além disso, a Primeira Lei da Termodinâmica também tem implicações mais profundas em nossa compreensão do universo. Ela nos permite entender como a energia se comporta em diferentes escalas, desde a mais pequena partícula subatômica até o universo como um todo.

Portanto, a Primeira Lei da Termodinâmica é uma ferramenta poderosa para analisar e compreender sistemas termodinâmicos, e sua aplicação é fundamental para uma variedade de campos científicos e tecnológicos.

Essa associação se deve ao fato de que a segunda lei da Termodinâmica estabelece que a entropia de um sistema isolado sempre aumenta ao longo do tempo, o que significa que a energia se degrada em sua forma útil. Em outras palavras, a energia se torna menos disponível para realizar trabalho útil.

Isso ocorre porque, quando a energia é transferida ou transformada de uma forma para outra, uma parte dela se perde na forma de calor, o que a torna menos útil. Por exemplo, quando você dirige um carro, a energia química dos combustíveis é convertida em energia cinética, mas parte dessa energia é perdida na forma de calor, o que é dissipado para o ambiente.

Portanto, embora a quantidade total de energia se conserve, sua forma útil se degrada ao longo do tempo. Essa é a razão pela qual a alternativa E) "É impossível converter calor totalmente em trabalho" é a que melhor justifica a associação da segunda lei da Termodinâmica com o princípio de degradação da energia.

É importante notar que as outras alternativas não justificam corretamente essa associação. A alternativa A) "A energia se conserva sempre" é verdadeira, mas não explica por que a energia se degrada. A alternativa B) "O calor não flui espontaneamente de um corpo quente para outro frio" é uma consequência da segunda lei da Termodinâmica, mas não justifica a associação com a degradação da energia.

A alternativa C) "Uma máquina térmica operando em ciclo converte integralmente trabalho em calor" é falsa, pois nenhuma máquina térmica pode converter integralmente trabalho em calor. A alternativa D) "Todo sistema tende naturalmente para o estado de equilíbrio" é verdadeira, mas não explica por que a energia se degrada.

Em resumo, a segunda lei da Termodinâmica estabelece que a energia se degrada ao longo do tempo, tornando-se menos útil para realizar trabalho. Isso ocorre porque a energia se perde na forma de calor durante as transferências e transformações de energia. Portanto, é impossível converter calor totalmente em trabalho, o que justifica a associação da segunda lei da Termodinâmica com o princípio de degradação da energia.

Isso ocorre porque o movimento de um satélite ao redor da Terra é um processo quase estático, ou seja, não há transferência de calor ou trabalho entre o satélite e o meio ambiente. Já os outros processos envolvem transferência de calor ou trabalho, o que violaria a segunda lei de termodinâmica se fossem invertidos no tempo.

Por exemplo, se a queda de um objeto de uma altura H e subsequente parada no chão fosse invertida no tempo, o objeto começaria no chão e subitamente saltaria para a altura H, violando a segunda lei de termodinâmica. Isso porque, na inversão, o objeto estaria absorvendo energia do meio ambiente sem qualquer trabalho realizado, o que viola a lei de não-decrescimento da entropia.

Já no caso do movimento de um satélite, não há transferência de calor ou trabalho entre o satélite e o meio ambiente, pois o satélite está em órbita estável e não há interação significativa com o meio ambiente. Logo, a inversão temporal desse processo não violaria a segunda lei de termodinâmica.

É importante notar que a segunda lei de termodinâmica estabelece que a entropia de um sistema fechado sempre aumenta ou permanece constante ao longo do tempo. Portanto, qualquer processo que viole essa lei é impossível de ocorrer na natureza.

Além disso, é interessante notar que a segunda lei de termodinâmica tem implicações importantes em diversas áreas, como a física, a química, a biologia e a engenharia. Ela ajuda a explicar por que certos processos são possíveis ou impossíveis, e como a energia é transferida e transformada em diferentes sistemas.

Em resumo, a inversão temporal do movimento de um satélite ao redor da Terra não violaria a segunda lei de termodinâmica, pois não há transferência de calor ou trabalho entre o satélite e o meio ambiente. Já os outros processos envolvem transferência de calor ou trabalho, o que violaria a segunda lei de termodinâmica se fossem invertidos no tempo.

Além disso, a segunda lei da termodinâmica descreve a direção do tempo em sistemas fechados, ou seja, sistemas que não trocam matéria ou energia com o meio ambiente. Nesses sistemas, a entropia, que é uma medida do grau de desordem ou aleatoriedade, sempre aumenta com o tempo. Isso significa que, ao longo do tempo, os sistemas tendem a se tornar mais desorganizados e menos estruturados.

Um exemplo comum é um café que esfria em uma mesa. No início, o café está quente e a temperatura é uniforme. Com o tempo, a temperatura do café se torna mais próxima à temperatura do ambiente, e a entropia do sistema aumenta. É improvável que o café, espontaneamente, se torne mais quente e a temperatura se torne mais uniforme novamente. Isso violaria a segunda lei da termodinâmica e iria contra a direção do tempo.

A direção do tempo também é importante em outros campos, como a biologia. O processo de envelhecimento, por exemplo, é uma manifestação da segunda lei da termodinâmica. À medida que os seres vivos envelhecem, suas células se tornam mais desorganizadas e menos eficientes, o que leva a uma perda de funcionalidade e, eventualmente, à morte.

Além disso, a direção do tempo também tem implicações filosóficas. Ela nos lembra que o tempo é uma direção, e não um ponto. Isso significa que não podemos voltar ao passado, apenas avançar para o futuro. Isso pode ter implicações para a nossa compreensão da natureza da realidade e do nosso lugar nela.

Em resumo, a direção do tempo é um conceito fundamental em física e tem implicações em muitos campos. A segunda lei da termodinâmica descreve essa direção e nos permite entender como os sistemas se comportam ao longo do tempo.

Isso ocorre porque a segunda lei da termodinâmica é aplicável a todas as transformações, sejam elas reversíveis ou irreversíveis. Além disso, a variação de entropia não é nula em transformações reversíveis, mas sim igual à razão entre o calor trocado e a temperatura absoluta.

Em uma transformação reversível, o sistema e o meio ambiente retornam ao estado inicial, e a entropia total permanece constante. Porém, em uma transformação irreversível, a entropia total aumenta, pois há uma perda de energia disponível e um aumento da desordem.

Portanto, a afirmação de que a segunda lei da termodinâmica só é aplicável a transformações reversíveis é incorreta. A segunda lei da termodinâmica é uma lei fundamental que descreve o comportamento da entropia em todos os processos termodinâmicos, independentemente de serem reversíveis ou irreversíveis.

É importante notar que as máquinas térmicas, como motores e refrigeradores, operam em ciclos termodinâmicos que envolvem transformações reversíveis e irreversíveis. A compreensão da segunda lei da termodinâmica é essencial para projetar e otimizar essas máquinas, visando a maximizar a eficiência e minimizar a perda de energia.

Em resumo, a segunda lei da termodinâmica é uma lei geral que se aplica a todos os processos termodinâmicos, e não apenas às transformações reversíveis. A variação de entropia é um conceito fundamental na termodinâmica, e é importante entender como ela se relaciona com as transformações reversíveis e irreversíveis.

Isso ocorre porque o ciclo de Carnot é um ciclo idealizado, que não leva em conta as perdas de energia que ocorrem em uma máquina térmica real. Além disso, a segunda lei da termodinâmica estabelece que a eficiência de uma máquina térmica nunca pode ser de 100%, pois sempre haverá alguma perda de energia em forma de calor.

Portanto, embora o ciclo de Carnot seja um modelo teórico importante para o estudo das máquinas térmicas, ele não pode ser alcançado na prática. As máquinas térmicas reais sempre terão uma eficiência menor que 100%, devido às perdas de energia que ocorrem durante o processo de conversão de energia.

Um exemplo disso são as usinas termoelétricas, que convertem a energia química do combustível em energia elétrica. Embora essas usinas tenham uma eficiência razoável, ela nunca chega a 100%. Isso ocorre porque parte da energia do combustível é perdida em forma de calor, e não é convertida em energia elétrica.

Além disso, a segunda lei da termodinâmica também estabelece que a entropia total de um sistema isolado sempre aumenta ao longo do tempo. Isso significa que a energia disponível para fazer trabalho útil sempre diminui, e a energia não disponível (ou seja, a energia que é perdida em forma de calor) sempre aumenta.

Portanto, é importante entender que a eficiência de uma máquina térmica é limitada pelas leis da termodinâmica, e que nunca é possível alcançar uma eficiência de 100%. Isso ajuda a explicar por que as máquinas térmicas reais sempre têm uma eficiência menor que a ideal, e por que é importante continuar a desenvolver tecnologias mais eficientes para a conversão de energia.

O entendimento das leis da termodinâmica e do comportamento das máquinas térmicas é fundamental para o desenvolvimento de tecnologias mais eficientes e sustentáveis. Além disso, é importante para a compreensão de como a energia é convertida e utilizada em nossas vidas diárias.

Em resumo, a resposta certa é E) ERRADO, pois a segunda lei da termodinâmica não permite que uma máquina térmica tenha 100% de eficiência. É importante entender as limitações impostas pelas leis da termodinâmica para desenvolver tecnologias mais eficientes e sustentáveis.

Para entender melhor essa afirmação, é importante lembrar que a primeira lei da termodinâmica, também conhecida como lei da conservação da energia, estabelece que a variação da energia interna de um sistema (ΔU) é igual à soma da quantidade de calor (Q) adicionada ao sistema e do trabalho (W) realizado sobre o sistema.

Matematicamente, isso pode ser representado pela fórmula:

ΔU = Q - W

Portanto, a variação da energia interna do sistema não depende do tipo de processo, mas sim da quantidade de calor adicionada e do trabalho realizado. Isso significa que, independentemente do caminho percorrido, a variação de energia interna entre dois estados de equilíbrio térmico é a mesma.

Por exemplo, imagine um sistema que vai de um estado A para um estado B. Se esse sistema for submetido a dois processos diferentes, um isobárico e outro isocórico, a variação de energia interna será a mesma em ambos os casos, pois a primeira lei da termodinâmica não leva em conta o tipo de processo, mas sim a diferença de energia entre os estados inicial e final.

Além disso, é importante notar que a primeira lei da termodinâmica não diz nada sobre a direção do processo, ou seja, se o sistema está se expandindo ou se contraindo. Ela apenas estabelece que a variação de energia interna é igual à soma do calor adicionado e do trabalho realizado.

Portanto, a afirmação de que a variação da energia interna do sistema depende do estado inicial e final, e não do tipo de processo, é verdadeira, e a resposta certa é mesmo C) CERTO.

É importante lembrar que a compreensão das leis da termodinâmica é fundamental para a análise de sistemas e processos que envolvem transferência de calor e trabalho. Além disso, essas leis têm aplicação em diversas áreas, como a física, a química, a biologia e a engenharia.

Em resumo, a primeira lei da termodinâmica estabelece que a variação da energia interna de um sistema depende apenas do estado inicial e final, e não do tipo de processo. Isso significa que, independentemente do caminho percorrido, a variação de energia interna entre dois estados de equilíbrio térmico é a mesma.

Vamos analisar o processo termodinâmico do gás ideal. Como o volume dobra e a pressão cai para um quarto de seus valores iniciais, podemos aplicar a equação de estado dos gases ideais:

PV = nRT

Como a quantidade de gás (n) é constante, podemos reorganizar a equação para relacionar as grandezas termodinâmicas:

P1V1 = P2V2

Substituindo os valores dados, temos:

P1V1 = P2(2V1)

P1 = P2/2

P2 = P1/4

Agora, podemos aplicar novamente a equação de estado dos gases ideais para relacionar a temperatura com a pressão e o volume:

T1 = P1V1 / nR

T2 = P2V2 / nR

Substituindo os valores, temos:

T1 = P1V1 / nR

T2 = (P1/4)(2V1) / nR

T2 = T1/2

Como a temperatura inicial é 300 K, a temperatura final é:

T2 = 300/2 = 150 K

Portanto, a alternativa correta é D) 150.

Essa foi a solução do problema. Espero que tenha sido útil!