Questões Sobre 1º Lei da Termodinâmica - Física - concurso

Assinale a opção que apresenta o gráfico que melhor descreve o comportamento do volume molar (V) de um gás ideal em função da altitude (h).

• A)

  

  Este gráfico apresenta uma relação direta entre a altitude e o volume molar do gás, ou seja, à medida que a altitude aumenta, o volume molar também aumenta. No entanto, isso não é verdadeiro para um gás ideal.

• B)

  

  Este gráfico apresenta uma relação inversa entre a altitude e o volume molar do gás, ou seja, à medida que a altitude aumenta, o volume molar diminui. Embora isso seja verdadeiro em parte, não é a descrição completa do comportamento do gás ideal.

• C)

  

  Este gráfico apresenta uma relação constante entre a altitude e o volume molar do gás, ou seja, não há variação no volume molar com a altitude. Isso não é verdadeiro para um gás ideal, pois a pressão e a temperatura também influenciam no volume molar.

• D)

  

  Este gráfico apresenta uma relação hiperbólica entre a altitude e o volume molar do gás, ou seja, à medida que a altitude aumenta, o volume molar aumenta rapidamente. Isso é verdadeiro para um gás ideal, pois a pressão atmosférica diminui com a altitude, o que faz com que o volume molar aumente.

• E)

  

  Este gráfico apresenta uma relação sinusoidal entre a altitude e o volume molar do gás. Isso não é verdadeiro para um gás ideal, pois a relação entre a altitude e o volume molar é mais complexa.

O gabarito correto é D).

Um motor só poderá realizar trabalho se receber uma quantidade de energia de outro sistema. No caso, a energia armazenada no combustível é, em parte, liberada durante a combustão para que o aparelho possa funcionar. Quando o motor funciona, parte da energia convertida ou transformada na combustão não pode ser utilizada para a realização de trabalho. Isso significa dizer que há vazamento da energia em outra forma.
CARVALHO, A. X. Z. Física Térmica. Belo Horizonte: Pax, 2009 (adaptado).

De acordo com o texto, as transformações de energia que ocorrem durante o funcionamento do motor são decorrentes de a

• C)conversão integral de calor em trabalho ser impossível.

Essa resposta é correta pois, como mencionado no texto, durante o funcionamento do motor, parte da energia convertida ou transformada na combustão não pode ser utilizada para a realização de trabalho, o que significa que há um "vazamento" de energia em outra forma. Isso ocorre porque a conversão de energia térmica em trabalho é sempre parcial, ou seja, nunca é integral. Sempre há uma perda de energia em forma de calor, ruído, vibração, etc.

É importante notar que as outras opções estão incorretas. A liberação de calor dentro do motor não é impossível, pelo contrário, é uma consequência natural do funcionamento do motor. A realização de trabalho pelo motor não é incontrolável, pois os motores são projetados para realizar trabalho de forma eficiente. A transformação de energia térmica em cinética não é impossível, pois é exatamente o que ocorre durante o funcionamento do motor. E a utilização de energia potencial do combustível não é incontrolável, pois os motores são projetados para utilizar essa energia de forma eficiente.

Em resumo, a conversão integral de calor em trabalho é impossível devido às perdas de energia que ocorrem durante o funcionamento do motor. Essas perdas são inevitáveis e são uma consequência natural das leis da termodinâmica.

Além disso, é importante entender que os motores são máquinas que convertem energia de uma forma em outra. No caso dos motores de combustão interna, a energia química contida no combustível é convertida em energia térmica durante a combustão, e posteriormente em energia cinética, que é utilizada para realizar trabalho. Entretanto, como mencionado anteriormente, essa conversão não é integral, pois sempre há perdas de energia.

Por fim, é importante notar que a eficiência dos motores é um tema importante em engenharia. A eficiência de um motor é medida pela razão entre a energia útil produzida e a energia total consumida. Os motores mais eficientes são aqueles que conseguem converter a maior parte da energia do combustível em trabalho útil, minimizando as perdas de energia.

Um gás ideal encontra-se, inicialmente, num recipiente de 3 litros, a uma temperatura de 200K e pressão de 100 N/m². Primeiramente, o gás sofre uma expansão isotérmica reversível até que ocupe um volume igual ao dobro do seu volume inicial. Depois, o gás é comprimido isobaricamente até voltar a ter um volume de 3 litros. O trabalho realizado pelo gás foi de

• A) (0,15 ln(3) + 0,3) J
• B) -0,3 ln (2) J
• C) 0,15 J
• D) 6 ln(2) J
• E) (0,3 ln(2) - 0,15) J

Para encontrar a resposta correta, é necessário calcular o trabalho realizado pelo gás durante a expansão isotérmica reversível e durante a compressão isobárica. Durante a expansão isotérmica reversível, o trabalho realizado pelo gás é dado pela equação:

W = nRT ln(Vf/Vi)

onde n é o número de moles do gás, R é a constante dos gases ideais, T é a temperatura em Kelvin, Vf é o volume final e Vi é o volume inicial. Como o volume final é o dobro do volume inicial, Vf = 2Vi. Substituindo os valores, temos:

W = nRT ln(2)

Como a temperatura é de 200K, podemos calcular o valor de nRT:

nRT = PV = 100 N/m² x 3 litros = 0,3 J/K

Portanto, o trabalho realizado durante a expansão isotérmica reversível é:

W = 0,3 J/K x ln(2) = 0,3 ln(2) J

Durante a compressão isobárica, o trabalho realizado pelo gás é dado pela equação:

W = P ΔV

onde P é a pressão e ΔV é a variação de volume. Como a pressão é de 100 N/m² e o volume varia de 6 litros para 3 litros, temos:

ΔV = -3 litros

Portanto, o trabalho realizado durante a compressão isobárica é:

W = 100 N/m² x (-3 litros) = -0,15 J

O trabalho total realizado pelo gás é a soma dos trabalhos realizados durante a expansão isotérmica reversível e durante a compressão isobárica:

W = 0,3 ln(2) J - 0,15 J = (0,3 ln(2) - 0,15) J

Portanto, a resposta correta é a opção E) (0,3 ln(2) - 0,15) J.

Julgue os itens que se seguem, a respeito de termodinâmica e
eletromagnetismo.

A primeira lei da termodinâmica, consequência do princípio da conservação da energia, estabelece que o trabalho realizado sobre um sistema é numericamente igual à quantidade de calor liberada por esse sistema.

• C) CERTO
• E) ERRADO

Agora, vamos analisar o item. A primeira lei da termodinâmica estabelece que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas convertida de uma forma para outra. Isso significa que a energia interna de um sistema pode aumentar ou diminuir, mas a soma da energia interna e do trabalho realizado sobre o sistema é sempre constante. Portanto, o trabalho realizado sobre um sistema não é numericamente igual à quantidade de calor liberada por esse sistema, mas sim à variação de sua energia interna.

O trabalho realizado sobre um sistema pode ser utilizado para aumentar a temperatura do sistema, ou seja, para aumentar a energia interna do sistema. Além disso, o trabalho realizado sobre um sistema pode também ser utilizado para realizar outras formas de trabalho, como o trabalho de expansão ou compressão de um gás. Já o calor liberado por um sistema é uma forma de energia que é transferida do sistema para o ambiente.

Por exemplo, imagine um sistema que é um motor a combustão. O trabalho realizado sobre o sistema é a combustão da gasolina, que aumenta a temperatura do sistema e permite que o motor realize trabalho. O calor liberado pelo sistema é a energia que é perdida para o ambiente, como o calor dissipado pelo radiador do motor.

Portanto, como o trabalho realizado sobre um sistema não é numericamente igual à quantidade de calor liberada por esse sistema, a afirmação está errada. O gabarito correto é E) ERRADO.

Agora, vamos passar para o próximo item.

O eletromagnetismo é o estudo das interações entre a eletricidade e o magnetismo. É uma área fundamental da física que descreve como as cargas elétricas interagem entre si e como elas se comportam em diferentes situações.

Uma das principais descobertas do eletromagnetismo foi a descoberta de que a luz é uma forma de radiação eletromagnética. Isso significa que a luz é uma onda eletromagnética que pode viajar pelo espaço vazio.

Além disso, o eletromagnetismo também descreve como as correntes elétricas interagem com os campos magnéticos. Isso é fundamental para a compreensão de como os motores elétricos funcionam.

Os motores elétricos são dispositivos que convertem a energia elétrica em energia mecânica. Eles são fundamentais para muitas aplicações, como os ventiladores de ar, as bombas de água e os elevadores.

Os motores elétricos funcionam porque as correntes elétricas interagem com os campos magnéticos, criando uma força que faz o motor girar. Essa força é conhecida como força eletromotriz.

Portanto, o eletromagnetismo é fundamental para a compreensão de como os motores elétricos funcionam e como a luz se comporta.

Agora, vamos julgar o próximo item.

O que você acha? Está preparado para julgar o próximo item?

Julgue os itens que se seguem, a respeito de termodinâmica e
eletromagnetismo.

As equações de Maxwell podem ser combinadas sob a forma de uma equação de onda, que prevê a existência de ondas eletromagnéticas que se propagam com velocidade igual à velocidade da luz.

• C) CERTO
• E) ERRADO

O gabarito correto é C). Por fim, não coloque nenhum comentário seu sobre a geração

Agora, vamos analisar outra afirmação sobre o eletromagnetismo:

O campo eletromagnético é uma combinação de campos elétricos e magnéticos que se influenciam mutuamente.

• A) CERTO
• B) ERRADO

O gabarito correto é A). Isso ocorre porque o campo eletromagnético é uma entidade unificada que engloba os campos elétrico e magnético, que estão interligados.

Vamos prosseguir com mais uma questão:

A lei de Faraday é uma lei fundamental da eletromagnetismo que descreve a indução eletromagnética, onde uma variação do fluxo magnético em um condutor gera uma força eletromotriz.

• D) CERTO
• F) ERRADO

O gabarito correto é D). A lei de Faraday é uma das quatro equações de Maxwell e tem um papel fundamental na compreensão da indução eletromagnética.

Em seguida, vamos analisar uma questão sobre termodinâmica:

A energia interna de um sistema é a soma das energias cinética e potencial das partículas que o compõem.

• G) CERTO
• H) ERRADO

O gabarito correto é G). A energia interna é uma grandeza importante em termodinâmica, que inclui a energia cinética e potencial das partículas que compõem o sistema.

Por fim, vamos avaliar uma afirmação sobre a relação entre termodinâmica e eletromagnetismo:

O estudo da radiação térmica é uma área de intersecção entre a termodinâmica e o eletromagnetismo, pois envolve a emissão e absorção de radiação eletromagnética por sistemas em equilíbrio térmico.

• I) CERTO
• J) ERRADO

O gabarito correto é I). A radiação térmica é um exemplo de como a termodinâmica e o eletromagnetismo se relacionam, pois envolve a emissão e absorção de radiação eletromagnética por sistemas em equilíbrio térmico.

Vamos calcular o trabalho realizado durante o processo. Como a expansão é adiabática, não há transferência de calor entre o sistema e o ambiente, ou seja, ΔQ = 0. Podemos utilizar a equação de estado dos gases ideais para relacionar a pressão, volume e temperatura:

PV = nRT

Como a expansão é adiabática, a entropia do sistema permanece constante. Isso significa que:

T₁/T₀ = (V₀/V₁)^(γ - 1)

Onde γ é o expoente adiabático, que para gases diatômicos é igual a 7/5. Substituindo os valores dados, temos:

(0,82T₀)/T₀ = (V₀/V₁)^(7/5 - 1)

0,82 = (V₀/V₁)^(2/5)

V₁ = V₀ / 0,82^(5/2)

V₁ = V₀ / 0,64

Agora, podemos calcular a variação de energia interna do sistema:

ΔU = nCvΔT

ΔU = n(5R/2)(0,82T₀ - T₀)

ΔU = 0,45nRT₀

O trabalho realizado durante o processo é igual à variação de energia interna do sistema:

W = ΔU

W = 0,45nRT₀

Como P₀V₀ = nRT₀, podemos reescrever a equação acima como:

W = 0,45P₀V₀

Portanto, a resposta correta é D) 0,45 ρ₀ V₀.

Observe as afirmativas a seguir, que estão relacionadas ao estudo da termodinâmica.

I – É impossível reduzir a entropia de um sistema fechado.

II – O calor acumulado em um corpo é proporcional à sua temperatura absoluta.

III – Só é possível haver troca de calor quando pelo menos dois corpos com temperaturas diferentes entram em contato térmico.

IV – O aumento da energia interna de um sistema que interage com a sua vizinhança é igual à quantidade de calor recebida pelo sistema somado ao trabalho realizado pelo sistema.

Está correto o que se afirma em

• A)I e II, apenas.
• B)I e III, apenas
• C)II e IV, apenas
• D)III e IV, apenas.
• E)I, II, III e IV.

Vamos analisar cada uma das afirmativas e verificar quais delas são verdadeiras. A primeira afirmativa, "É impossível reduzir a entropia de um sistema fechado", é verdadeira. A entropia de um sistema fechado sempre aumenta ou permanece constante, nunca diminui. Já a segunda afirmativa, "O calor acumulado em um corpo é proporcional à sua temperatura absoluta", é falsa. O calor acumulado em um corpo não é proporcional à sua temperatura absoluta, mas sim à variação de temperatura. A terceira afirmativa, "Só é possível haver troca de calor quando pelo menos dois corpos com temperaturas diferentes entram em contato térmico", é verdadeira. A troca de calor só ocorre quando há uma diferença de temperatura entre os corpos. E a quarta afirmativa, "O aumento da energia interna de um sistema que interage com a sua vizinhança é igual à quantidade de calor recebida pelo sistema somado ao trabalho realizado pelo sistema", é verdadeira. Essa é a definição da variação da energia interna de um sistema.

Portanto, as afirmativas verdadeiras são a I e a III. A opção B está correta.

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 motor 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 90 °C e permanece em torno desse valor durante a viagem. Isso ocorre porque

• 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.

Essa é uma situação comum em que o motorista não precisa se preocupar muito, pois a temperatura está dentro do limite seguro de funcionamento do motor. Além disso, o sistema de arrefecimento do automóvel foi projetado para manter a temperatura do motor dentro de um limite seguro, evitando danos ao motor.

No entanto, é importante que o motorista esteja atento a qualquer alteração na temperatura do motor, pois um aumento excessivo pode indicar problemas no sistema de arrefecimento ou no próprio motor. Por exemplo, se a temperatura do motor começar a subir rapidamente, pode ser um sinal de que o radiador está entupido ou que o líquido de arrefecimento está baixo.

Além disso, é fundamental que o motorista realize regularmente a manutenção do sistema de arrefecimento, como verificar o nível do líquido de arrefecimento, limpar o radiador e verificar se há vazamentos no sistema. Isso ajudará a prevenir problemas futuros e a garantir que o motor esteja sempre funcionando dentro do limite seguro.

Em resumo, a temperatura de 90 °C no radiador é uma indicação de que o sistema de arrefecimento do automóvel está funcionando corretamente e que o motor está dentro do limite seguro de funcionamento. No entanto, é importante que o motorista esteja atento a qualquer alteração na temperatura do motor e realize regularmente a manutenção do sistema de arrefecimento.

A termodinâmica é a área da Física que lida com fenômenos associados aos conceitos de temperatura e calor. Com relação aos conceitos da termodinâmica, é correto afirmar que:

• A)no processo adiabático ocorrem trocas de calor entre o sistema e sua vizinhança.
• B)o estado de equilíbrio de um sistema isolado é o estado de entropia mínima.
• C)o rendimento (eficiência) do motor térmico pode ser definido pela razão entre o calor consumido e o trabalho fornecido.
• D)pela primeira Lei da Termodinâmica, o trabalho realizado para levar um sistema termicamente isolado de um dado estado inicial a um dado estado final independe do caminho.
• E)pela segunda Lei da Termodinâmica, é sempre possível realizar um processo cujo único efeito seja remover calor de um reservatório térmico e produzir uma quantidade equivalente de trabalho.

Portanto, a resposta certa é a opção D). Isso ocorre porque a primeira Lei da Termodinâmica, também conhecida como Lei da Conservação da Energia, estabelece que a variação de energia interna de um sistema isolado é igual ao trabalho realizado sobre o sistema. Ou seja, não há troca de calor com a vizinhança, e o trabalho realizado é independente do caminho percorrido.

Já a opção A está errada, pois no processo adiabático não há troca de calor entre o sistema e a vizinhança. A adiabática é um processo que ocorre sem troca de calor, ou seja, é um processo isotérmico.

A opção B também está errada, pois o estado de equilíbrio de um sistema isolado é o estado de máxima entropia, e não de entropia mínima. A entropia é uma medida do grau de desordem ou de aleatoriedade de um sistema, e no estado de equilíbrio, a entropia é máxima.

A opção C está errada, pois o rendimento do motor térmico é definido pela razão entre o trabalho fornecido e o calor consumido, e não pela razão entre o calor consumido e o trabalho fornecido.

E a opção E está errada, pois pela segunda Lei da Termodinâmica, não é possível realizar um processo cujo único efeito seja remover calor de um reservatório térmico e produzir uma quantidade equivalente de trabalho. Isso violaria a segunda Lei da Termodinâmica, que estabelece que a entropia total de um sistema isolado sempre aumenta ou permanece constante, nunca diminui.

Em resumo, a termodinâmica estuda os processos que envolvem calor e temperatura, e as Leis da Termodinâmica são fundamentais para entender como esses processos ocorrem. A primeira Lei da Termodinâmica estabelece a conservação da energia, enquanto a segunda Lei da Termodinâmica estabelece o aumento da entropia em processos naturais.

Além disso, é importante entender que a termodinâmica é uma área fundamental da Física, pois ajuda a explicar muitos fenômenos naturais, como a vida em si. Afinal, a vida é um processo que envolve a conversão de energia em trabalho, e a termodinâmica é a área que estuda justamente esses processos.

Portanto, é fundamental que os estudantes de Física compreendam bem os conceitos da termodinâmica, para que possam aplicá-los em suas carreiras e contribuir para o avanço da ciência.