COPE

FÍSICA - LÉO

PAULISTAS

AS MÁQUINAS

TÉRMICAS E A 2ª LEI

DA TERMODINÂMICA

MÁQUINAS TÉRMICAS

MOTOR TÉRMICO

REFRIGERADOR TÉRMICO

(máquina térmica)

(máquina frigorífica)

MOTOR TÉRMICO

MOTOR TÉRMICO: dispositivo que

transforma calor (Q)

em trabalho (τ).

MOTOR TÉRMICO

MOTOR TÉRMICO

τ = 𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 − 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎

RENDIMENTO DE UM MOTOR TÉRMICO (η)

η =ú𝑡𝑖𝑙

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

η =τ

𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒

τ = 𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 − 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎

η = 1 −𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒

é adimensional

REFRIGERADOR TÉRMICO

REFRIGERADOR TÉRMICO: dispositivo que

transforma trabalho (τ)

em calor (Q).

REFRIGERADOR TÉRMICO

𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎 + τ

REFRIGERADOR TÉRMICO

𝑒 =𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎τ

𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎 + τ

EFICIÊNCIA DE UM REFRIGERADOR TÉRMICO (e)(coeficiente de desempenho)

(Enunciado de Kelvin-Planck)

É impossível a construção de um dispositivo que, por si só, isto é, sem a

intervenção do meio exterior, consiga transformar integralmente em trabalho o

calor absorvido de uma fonte a uma dada temperatura uniforme.

2a LEI DA TERMODINÂMICA

Enunciado de Kelvin-Planck

2a LEI DA

TERMODINÂMICA:

η < 100%

DEGRADAÇÃO

DA

ENERGIA!

2a LEI DA TERMODINÂMICA

É impossível a construção de um dispositivo que, por si só, isto é,

sem a intervenção do meio exterior, consiga transferir calor de um

corpo (fonte) para outro à temperatura mais elevada.

(Enunciado de Clausius)

2a LEI DA TERMODINÂMICA

Enunciado de Clausius

CALOR → TRABALHO

TRABALHO → CALOR

CICLO DE CARNOT

MÁXIMO RENDIMENTO (TEÓRICO)

p

V

EXPANSÃO ISOTÉRMICA

EXPANSÃO ADIABÁTICA

CONTRAÇÃO ADIABÁTICA

CONTRAÇÃO ISOTÉRMICA

CICLO DE CARNOT

𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸

=𝑄𝐹𝑅𝐼𝐴

𝑄𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸

η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 1 −𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴

𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸η = 1 −

𝑄𝐹𝑅𝐼𝐴𝑄𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸

(GERAL)

η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 1 −𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴

𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸(MÁXIMO)

2ª Lei da Termodinâmica

Lembrando que:

𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸

=𝑄𝐹𝑅𝐼𝐴

𝑄𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸

𝑒𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 =𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴

𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸 − 𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴

Mas e a 2ª Lei da Termodinâmica?

Se TFria = 0K: 0

1 = 100%

O ZERO ABSOLUTO É

INATINGÍVEL!

CICLO DE OTTO

MOTOR A

EXPLOSÃO

DE QUATRO

TEMPOS

10 TEMPO – ADMISSÃO: o pistão desce enquanto a válvula de admissão se abre, e desse

modo uma mistura de ar e vapor de combustível é aspirada para dentro do cilindro.

20 TEMPO – COMPRESSÃO: a válvula de admissão se fecha e o pistão sobe, comprimindo o

vapor e provocando um aumento de temperatura.

30 TEMPO – EXPLOSÃO: a vela emite uma faísca elétrica, provocando a explosão do

vapor. Isso gera aquecimento dos gases, aumentando a pressão, o que por sua vez produz

uma expansão empurrando o pistão para baixo.

40 TEMPO – EXPULSÃO: ocorre a abertura da válvula de escape enquanto o pistão sobe,

expulsando os gases queimados.

(UFSCAR) “Inglaterra, século XVIII. Hargreaves patenteia sua máquina de fiar; Arkwright inventa a fiandeira

hidráulica; James Watt introduz a importantíssima máquina a vapor. Tempos modernos!”

(C. Alencar, L. C. Ramalho e M. V. T. Ribeiro, História da Sociedade Brasileira.)

As máquinas a vapor, sendo máquinas térmicas reais, operam em ciclos de acordo com a segunda lei da

Termodinâmica. Sobre essas máquinas, 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 de água se mantém constante.

III. Transformam em trabalho todo calor recebido da fonte quente.

É correto o contido apenas em:

a) I

b) II

c) III

d) I e II

e) II e III

(UFPR) Os estudos científicos desenvolvidos pelo engenheiro francês

Nicolas Sadi Carnot (1796–1832) na tentativa de melhorar o

rendimento de máquinas térmicas serviram de base para a formulação

da segunda lei da termodinâmica.

Acerca do tema, considere as seguintes afirmativas:

1. O rendimento de uma máquina térmica é a razão entre o

trabalho realizado pela máquina num ciclo e o calor retirado do

reservatório quente nesse ciclo.

2. Os refrigeradores são máquinas térmicas que transferem calor

de um sistema de menor temperatura para outro a uma temperatura

mais elevada.

3. É possível construir uma máquina, que opera em ciclos, cujo

único efeito seja retirar calor de uma fonte e transformá-lo

integralmente em trabalho.

Assinale a alternativa correta.

a) Somente as afirmativas 1 e 3 são verdadeiras.

b) Somente a afirmativa 1 é verdadeira.

c) Somente a afirmativa 2 é verdadeira.

d) Somente as afirmativas 1 e 2 são verdadeiras.

e) Somente as afirmativas 2 e 3 são verdadeiras.

(UNIOESTE) A termodinâmica sistematiza as leis empíricas sobre o

comportamento térmico dos corpos macroscópicos e obtém seus

conceitos diretamente dos experimentos. Tendo como base as leis da

termodinâmica, analise as seguintes proposições:

I. Uma transformação adiabática é aquela em que o sistema não

troca calor com a vizinhança. Então o trabalho realizado pelo sistema é

feito à custa da diminuição da energia interna do sistema.

II. Em uma máquina térmica a energia térmica é integralmente

transformada em trabalho.

III. É impossível a energia térmica fluir espontaneamente de um

sistema mais frio para um sistema mais quente.

IV. O ciclo de Carnot é um ciclo reversível ideal com o qual seria

possível obter o máximo rendimento.

Estão corretas

a) I e II

b) I e IV

c) III e IV

d) I, III e IV

e) Todas

(ENEM) A invenção da geladeira proporcionou uma

revolução no aproveitamento dos alimentos, ao permitir

que fossem armazenados e transportados por longos

períodos. A figura apresentada ilustra o processo 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 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.

Nos processos de transformacao de energia envolvidos 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 isolado termicamente do ambiente

externo for o seu compartimento interno.

E) a energia retirada do interior pode ser devolvida à geladeira abrindo-se a

sua porta, o que reduz seu consumo de energia.

(UFG) A figura a seguir representa o ciclo de Otto para motores a

combustão interna. Nesse tipo de motor, a vela de ignição gera uma faísca

que causa a combustão de uma mistura gasosa. Considere que a faísca seja

suficientemente rápida, de modo que o movimento do pistão possa ser

desprezado. A faísca e a liberação dos gases pelo escapamento ocorrem,

respectivamente, nos pontos

(A) A e C.

(B) B e A.

(C) D e A.

(D) D e B.

(E) O e C.

(UFSM) Um condicionador de ar, funcionando no verão, durante

certo intervalo de tempo, consome 1.600 cal de energia elétrica,

retira certa quantidade de energia do ambiente que está sendo

climatizado e rejeita 2.400 cal para o exterior. A eficiência desse

condicionador de ar é

a) 0,33

b) 0,50

c) 0,63

d) 1,50

e) 2,00

𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎 + τ

2400 = 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎 + 1600

𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎 = 800 𝑐𝑎𝑙

𝑒 =𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎τ

𝑒 =800

1600

𝑒 = 0,5

(VUNESP) Uma geladeira retira, por segundo, 1000 kcal do congelador, enviando para o

ambiente 1200 kcal. Considere 1 kcal = 4,2 kJ. A potência do compressor desse máquina

será:

a) 700 kW

b) 800 kW

c) 840 kW

d) 600 kW

e) 500 kW

𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎 + τ

1200 = 1000 + τ

τ = 200 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑃 =τ

Δ𝑡

𝑃 =200.4,2

1

𝑃 = 840 𝑘𝑊

𝑊 =𝐽

𝑠

(UFAM) Um Físico, buscando economizar combustível construiu uma máquina térmica que

em cada ciclo absorve 5000 joules da fonte quente a uma temperatura de 600 K e, rejeita

3000 joules para a fonte fria. Sabendo que a máquina térmica tem um desempenho de 80%

da máquina de Carnot, a temperatura da fonte fria vale:

a) 120 K

b) 300 K

c) 480 K

d) 200 K

e) 400 K

η = 1 −𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒

η = 1 −3000

5000

η = 0,4

η = 0,8η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 1 −𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴

𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸

0,4 = 0,8η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇

η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 0,5

0,5 = 1 −𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴600

𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴 = 300 𝐾

(UFLA) Um engenheiro construiu uma máquina térmica que, operando em ciclos, retira 20000 J/s de

um reservatório quente a T1 = 1600 K e rejeita 4000 J/s para um reservatório frio a T2 = 400 K. A

equipe técnica de uma empresa encarregada de analisar o projeto dessa máquina térmica apresentou

as seguintes conclusões:

I. O rendimento teórico da máquina é 80%.

II. A potência teórica da referida máquina é 16000 W.

η = 1 −𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒

η = 1 −4000

20000η = 0,8

𝑃 =τ

Δ𝑡𝑃 =

16000

1𝑃 = 16000 𝑊

III. Como o rendimento teórico de uma máquina térmica de Carnot operando nas condições acima

especificadas é 75%, a máquina em questão é teoricamente inviável.

Assinale a alternativa CORRETA.

a) Somente as conclusões I e II são corretas.

b) As conclusões I, II e III estão corretas.

c) Somente as conclusões II e III são corretas.

d) Somente as conclusões I e III são corretas.

e) Somente a conclusão II é correta.

η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 1 −𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴

𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 1 −

400

1600η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 0,75

(IME) Considere uma máquina térmica operando em um ciclo termodinâmico. Esta máquina recebe 300 J de

uma fonte quente cuja temperatura é de 400 K e produz um trabalho de 150 J. Ao mesmo tempo, rejeita 150 J

para uma fonte fria que se encontra a 300 K. A análise termodinâmica da máquina térmica descrita revela que o

ciclo proposto é um(a):

a) máquina frigorífica na qual tanto a Primeira Lei quanto a Segunda Lei da termodinâmica são violadas.

b) máquina frigorífica na qual a Primeira Lei é atendida, mas a Segunda Lei é violada.

c) motor térmico no qual tanto a Primeira Lei quanto a Segunda Lei da termodinâmica são atendidas.

d) motor térmico no qual a Primeira Lei é violada, mas a Segunda Lei é atendida.

e) motor térmico no qual a Primeira Lei é atendida, mas a Segunda Lei é violada.

τ = 𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 − 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎

η = 1 −𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒

η = 1 −150

300η = 0,5

η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 1 −𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴

𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 1 −

300

400η𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 0,25

τ = 300 − 150

τ = 150 𝐽

(UNIMONTES MG) Uma máquina frigorífica ideal, que utiliza o ciclo de Carnot, possui um

compressor que realiza, em cada ciclo, trabalho igual a 3,7 × 104 J. Em seu funcionamento, a

máquina toma calor de uma fonte térmica a –10ºC e cede calor a outra fonte térmica a 17ºC.

Dado:

a) Qual a eficiência e da máquina, em cada ciclo?

b) Qual a quantidade de calor que se toma da fonte fria, a cada ciclo?

c) Qual a quantidade de calor cedido à fonte quente, a cada ciclo?

(UNIMONTES MG) Uma máquina frigorífica ideal, que utiliza o ciclo de Carnot, possui um

compressor que realiza, em cada ciclo, trabalho igual a 3,7 × 104 J. Em seu funcionamento, a

máquina toma calor de uma fonte térmica a –10ºC e cede calor a outra fonte térmica a 17ºC.

a) Qual a eficiência e da máquina, em cada ciclo?

𝑒𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 =𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴

𝑇𝑄𝑈𝐸𝑁𝑇𝐸 − 𝑇𝐹𝑅𝐼𝐴𝑒𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 =

263

290 − 263

263 K290 K

𝑒𝐶𝐴𝑅𝑁𝑂𝑇 = 9,74

(UNIMONTES MG) Uma máquina frigorífica ideal, que utiliza o ciclo de Carnot, possui um

compressor que realiza, em cada ciclo, trabalho igual a 3,7 × 104 J. Em seu funcionamento, a

máquina toma calor de uma fonte térmica a –10ºC e cede calor a outra fonte térmica a 17ºC.

a) Qual a eficiência e da máquina, em cada ciclo?

b) Qual a quantidade de calor que se toma da fonte fria, a cada ciclo?

𝑒 =𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎τ

9,74 =𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎3,7. 104

𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎 = 36. 104 𝐽

(UNIMONTES MG) Uma máquina frigorífica ideal, que utiliza o ciclo de Carnot, possui um

compressor que realiza, em cada ciclo, trabalho igual a 3,7 × 104 J. Em seu funcionamento, a

máquina toma calor de uma fonte térmica a –10ºC e cede calor a outra fonte térmica a 17ºC.

a) Qual a eficiência e da máquina, em cada ciclo?

b) Qual a quantidade de calor que se toma da fonte fria, a cada ciclo?

c) Qual a quantidade de calor cedido à fonte quente, a cada ciclo?

𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑄𝐹𝑟𝑖𝑎 + τ 𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 36. 104 + 3,7. 104

𝑄𝑄𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 39,7. 104 𝐽