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Engenharia Geológica ·
Física 2
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estudo dirigido física termodinâmica 1 Explique a razão pela qual um motor térmico trabalha em alta temperatura 2 Enuncie as leis da termodinâmica e dê um exemplo prático da consequência de cada uma delas 3 Explique uma razão pela qual os processos termodinâmicos são frequentemente irreversíveis nas máquinas de calor 4 Explique por que um motor térmico em ação não viola a 2ª lei da termodinâmica 5 Uma janela é constituída de duas placas de vidro de 7 mm de espessura encerrando um gás de nitrogênio a 1 atm de pressão com 5 mm de espessura outra é constituída de apenas um vidro com 15 mm de espessura Calcule e compare as resistências térmicas de ambas 6 É possível haver um processo isocórico e adiabático em um gás em que sua pressão aumente Explique sua resposta 7 Em um gás que se expande em um processo isobárico deduza a equação para sua variação de energia interna em função da temperatura 8 Descreva os mecanismos de transferência de energia na forma de calor e cite dois exemplos práticos de cada um 9 Descreva os mecanismos de transferência de calor nos sólidos 10 Explique por que os metais tendem a apresentar maior condutividade térmica do que as cerâmicas e estas do que os polímeros Estudo Dirigido Física Termodinâmica 1 Explique a razão pela qual um motor térmico trabalha em alta temperatura Um motor térmico funciona convertendo energia térmica em energia mecânica por meio da expansão de gases aquecidos Para que essa conversão seja eficiente ele precisa operar em alta temperatura pois segundo a segunda lei da termodinâmica o calor sempre flui naturalmente de uma fonte quente para uma fonte fria Quanto maior a temperatura da fonte quente maior a eficiência do motor pois a diferença entre as temperaturas da fonte quente e da fonte fria determina a quantidade de energia que pode ser transformada em trabalho útil Além disso a alta temperatura melhora a queima do combustível garantindo uma liberação mais eficiente de energia Em motores a combustão interna por exemplo a explosão da mistura de ar e combustível dentro do cilindro ocorre em temperaturas elevadas para maximizar a conversão da energia química em movimento mecânico Esse processo é essencial para que o motor tenha um desempenho adequado e gere potência suficiente para impulsionar veículos e máquinas 2 Enuncie as leis da termodinâmica e dê um exemplo prático da consequência de cada uma delas A primeira lei da termodinâmica conhecida como a lei da conservação da energia afirma que a energia não pode ser criada nem destruída apenas transformada A variação da energia interna de um sistema depende do calor recebido e do trabalho realizado Um exemplo prático dessa lei ocorre em motores de carros parte da energia térmica liberada pela combustão do combustível é convertida em trabalho mecânico para mover o pistão enquanto outra parte se dissipa na forma de calor para o ambiente A segunda lei da termodinâmica estabelece que o calor sempre flui espontaneamente de um corpo quente para um corpo frio e nunca o contrário sem a realização de trabalho externo Além disso essa lei demonstra que nenhuma máquina térmica pode ter eficiência de 100 pois sempre há perda de energia Um exemplo disso é o funcionamento de uma geladeira que só consegue resfriar seu interior porque um compressor utiliza eletricidade para forçar o calor a sair caso contrário ele se dissiparia naturalmente para dentro do equipamento A terceira lei da termodinâmica afirma que é impossível atingir o zero absoluto pois à medida que um sistema se aproxima dessa temperatura a quantidade de energia necessária para resfriálo ainda mais cresce indefinidamente Um exemplo prático dessa lei ocorre no estudo dos supercondutores materiais que apresentam resistência elétrica zero em temperaturas extremamente baixas mas nunca exatamente no zero absoluto pois sempre há alguma vibração residual das moléculas 3 Explique uma razão pela qual os processos termodinâmicos são frequentemente irreversíveis nas máquinas de calor Os processos termodinâmicos são frequentemente irreversíveis em máquinas térmicas devido à geração de entropia e à presença de perdas energéticas Em qualquer máquina real ocorrem fatores que impedem um funcionamento totalmente eficiente e reversível Um dos principais motivos da irreversibilidade é o atrito entre as partes móveis que transforma parte da energia útil em calor dissipado para o ambiente Além disso a transferência de calor entre superfícies com diferentes temperaturas sempre resulta em perdas pois parte dessa energia não pode ser reaproveitada para realizar trabalho útil Outro fator importante é a combustão não perfeita Em motores a combustão interna por exemplo a queima do combustível nunca ocorre de maneira completamente eficiente o que resulta na formação de gases residuais e na perda de energia Além disso a turbulência e a mistura de fluidos dentro do motor geram dissipação de energia tornando o processo irreversível Por esses motivos nenhuma máquina térmica consegue operar de forma completamente reversível pois sempre há perdas inevitáveis de energia que limitam sua eficiência máxima 4 Explique por que um motor térmico em ação não viola a 2ª lei da termodinâmica A segunda lei da termodinâmica estabelece que o calor sempre flui naturalmente de um corpo mais quente para um corpo mais frio e que nenhum motor térmico pode ter 100 de eficiência Essa lei também afirma que parte da energia térmica de um motor sempre será dissipada para o ambiente e não poderá ser convertida completamente em trabalho Um motor térmico em ação segue essa lei porque ele opera entre duas fontes de temperatura uma fonte quente onde ocorre a combustão ou aquecimento do fluido de trabalho e uma fonte fria para onde parte da energia térmica é liberada Durante esse processo o motor converte parte da energia térmica em trabalho mecânico mas uma fração dessa energia é inevitavelmente perdida na forma de calor para o meio externo Se um motor térmico conseguisse converter todo o calor recebido em trabalho útil sem nenhuma dissipação de calor para uma fonte fria ele violaria a segunda lei da termodinâmica No entanto na prática isso nunca acontece Mesmo os motores mais eficientes ainda precisam descartar calor para o ambiente garantindo que a lei seja respeitada 5 Uma janela é constituída de duas placas de vidro de 7 mm de espessura encerrando um gás de nitrogênio a 1 atm de pressão com 5 mm de espessura outra é constituída de apenas um vidro com 15 mm de espessura Calcule e compare as resistências térmicas de ambas Lvidro 0007m LN2 0005m kvidro 1 WmK kN2 0024 WmK Janela 1 Duas placas de vidro cada uma com 7mm de espessura Rjanela1 Rvidro1RN2Rvidro2 Rjanela1 LvidrokvidroLN2kN2Lvidrokvidro Rjanela1 0007100050024 00071 Rjanela1 02223 m²KW Janela 2 Uma única placa de vidro com 15mm de espessura Rjanela2 Lvidrokvidro Rjanela2 00151 Rjanela2 0015 m²KW A janela com duas placas de vidro e a camada de nitrogênio tem uma resistência térmica significativamente maior do que a janela de vidro único Isso significa que a janela dupla com nitrogênio é muito mais eficiente em isolar termicamente pois oferece maior resistência à transferência de calor 6 É possível haver um processo isocórico e adiabático em um gás em que sua pressão aumente Explique sua resposta Não um processo isocórico e adiabático simultâneo no qual a pressão do gás aumenta não é fisicamente possível Um processo isocórico é aquele em que o volume do gás permanece constante ou seja o gás não se expande nem se contrai Isso significa que qualquer variação de energia interna do gás só pode ocorrer devido a uma troca de calor com o ambiente já que o trabalho realizado sobre o gás ou pelo gás depende da variação de volume Já um processo adiabático é aquele em que não há troca de calor com o ambiente Isso significa que toda a variação de energia interna do gás deve ocorrer exclusivamente devido ao trabalho realizado sobre ele ou por ele Se um gás estivesse em um recipiente de volume fixo processo isocórico ele não poderia sofrer compressão ou expansão para alterar sua energia interna pelo trabalho Se ao mesmo tempo ele não pudesse trocar calor com o ambiente processo adiabático sua energia interna permaneceria inalterada Como a pressão de um gás está diretamente relacionada à sua temperatura e volume e o volume não muda nesse caso a única forma de aumentar a pressão seria aquecendo o gás Porém isso exigiria transferência de calor o que violaria a condição adiabática Portanto um processo que seja simultaneamente isocórico e adiabático não pode resultar em aumento de pressão pois não há nenhum mecanismo para fornecer energia ao gás de maneira que altere sua pressão sem que o volume mude ou ocorra troca de calor 7 Em um gás que se expande em um processo isobárico deduza a equação para sua variação de energia interna em função da temperatura Primeira Lei ΔU Q W Processo Isobárico W PΔV PVfVi Calor Transferido Q nCPΔT nCPTfTi Para um Gás Ideal CP CVR Então ΔU nCVΔT nCVTfTi 8 Descreva os mecanismos de transferência de energia na forma de calor e cite dois exemplos práticos de cada um Condução A condução ocorre quando o calor se propaga através do contato direto entre moléculas sem transporte de matéria Nesse processo as moléculas mais energéticas transferem sua energia para as moléculas vizinhas aumentando a temperatura do material ao longo do tempo Exemplos Quando seguramos uma colher de metal em uma panela quente o calor se propaga do fundo da colher até nossa mão O aquecimento de um ferro de passar roupa onde o calor gerado pela resistência elétrica se propaga pelo metal até atingir a base do ferro Convecção A convecção ocorre quando o calor é transferido pelo movimento de fluidos líquidos ou gases O fluido quente sobe e o fluido frio desce criando correntes de convecção que distribuem o calor Exemplos O aquecimento da água em uma panela a água próxima ao fundo da panela aquece sobe para a superfície e a água fria desce formando um ciclo de convecção O funcionamento de um arcondicionado que resfria o ar quente próximo ao teto e o faz circular distribuindo o ar mais frio pelo ambiente Radiação A radiação ocorre por meio de ondas eletromagnéticas sem necessidade de um meio material para transportar o calor Esse tipo de transferência de energia pode ocorrer até no vácuo Exemplos O calor do Sol chegando à Terra atravessando o vácuo do espaço por meio de radiação infravermelha O aquecimento das mãos ao se aproximar de uma fogueira sem precisar tocar diretamente no fogo ou no ar quente 9 Descreva os mecanismos de transferência de calor nos sólidos Nos sólidos o principal mecanismo de transferência de calor é a condução térmica Nesse processo a energia térmica se propaga devido à vibração das moléculas e à movimentação dos elétrons livres quando presentes sem transporte de matéria A condução térmica ocorre porque quando uma região do sólido é aquecida as partículas nessa área ganham energia e começam a vibrar mais intensamente Essas vibrações são transmitidas para as partículas vizinhas espalhando o calor ao longo do material Em sólidos metálicos além da transferência de calor por vibração atômica há um mecanismo adicional os elétrons livres Esses elétrons que não estão ligados a átomos específicos movimentamse pelo material e transportam energia térmica de forma muito eficiente Isso explica por que os metais geralmente são bons condutores de calor Nos sólidos não metálicos como cerâmicas e polímeros a condução térmica ocorre apenas pela vibração das ligações entre os átomos tornando o processo menos eficiente em comparação com os metais 10 Explique por que os metais tendem a apresentar maior condutividade térmica do que as cerâmicas e estas do que os polímeros A diferença na condutividade térmica entre metais cerâmicas e polímeros está relacionada à maneira como cada material transporta calor internamente Metais possuem alta condutividade térmica porque além da transferência de calor por vibração das ligações entre os átomos eles contam com elétrons livres Esses elétrons se movem rapidamente pelo material e transportam energia térmica de forma muito eficiente resultando em uma condução térmica elevada Cerâmicas por outro lado não possuem elétrons livres para contribuir com a condução térmica O calor se propaga apenas por meio das vibrações da rede cristalina do material o que torna a transferência de calor mais lenta em comparação com os metais Além disso muitas cerâmicas possuem estrutura porosa o que dificulta ainda mais a condução térmica Polímeros apresentam a menor condutividade térmica porque suas moléculas são compostas por longas cadeias orgânicas ligadas por interações fracas Essas cadeias não permitem uma transmissão eficiente da energia térmica já que a vibração das moléculas não se propaga de forma organizada Além disso a maioria dos polímeros contém espaços cheios de ar entre suas cadeias e o ar é um isolante térmico natural Portanto a presença de elétrons livres nos metais a estrutura cristalina das cerâmicas e a organização molecular dos polímeros são os principais fatores que determinam suas diferentes condutividades térmicas
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estudo dirigido física termodinâmica 1 Explique a razão pela qual um motor térmico trabalha em alta temperatura 2 Enuncie as leis da termodinâmica e dê um exemplo prático da consequência de cada uma delas 3 Explique uma razão pela qual os processos termodinâmicos são frequentemente irreversíveis nas máquinas de calor 4 Explique por que um motor térmico em ação não viola a 2ª lei da termodinâmica 5 Uma janela é constituída de duas placas de vidro de 7 mm de espessura encerrando um gás de nitrogênio a 1 atm de pressão com 5 mm de espessura outra é constituída de apenas um vidro com 15 mm de espessura Calcule e compare as resistências térmicas de ambas 6 É possível haver um processo isocórico e adiabático em um gás em que sua pressão aumente Explique sua resposta 7 Em um gás que se expande em um processo isobárico deduza a equação para sua variação de energia interna em função da temperatura 8 Descreva os mecanismos de transferência de energia na forma de calor e cite dois exemplos práticos de cada um 9 Descreva os mecanismos de transferência de calor nos sólidos 10 Explique por que os metais tendem a apresentar maior condutividade térmica do que as cerâmicas e estas do que os polímeros Estudo Dirigido Física Termodinâmica 1 Explique a razão pela qual um motor térmico trabalha em alta temperatura Um motor térmico funciona convertendo energia térmica em energia mecânica por meio da expansão de gases aquecidos Para que essa conversão seja eficiente ele precisa operar em alta temperatura pois segundo a segunda lei da termodinâmica o calor sempre flui naturalmente de uma fonte quente para uma fonte fria Quanto maior a temperatura da fonte quente maior a eficiência do motor pois a diferença entre as temperaturas da fonte quente e da fonte fria determina a quantidade de energia que pode ser transformada em trabalho útil Além disso a alta temperatura melhora a queima do combustível garantindo uma liberação mais eficiente de energia Em motores a combustão interna por exemplo a explosão da mistura de ar e combustível dentro do cilindro ocorre em temperaturas elevadas para maximizar a conversão da energia química em movimento mecânico Esse processo é essencial para que o motor tenha um desempenho adequado e gere potência suficiente para impulsionar veículos e máquinas 2 Enuncie as leis da termodinâmica e dê um exemplo prático da consequência de cada uma delas A primeira lei da termodinâmica conhecida como a lei da conservação da energia afirma que a energia não pode ser criada nem destruída apenas transformada A variação da energia interna de um sistema depende do calor recebido e do trabalho realizado Um exemplo prático dessa lei ocorre em motores de carros parte da energia térmica liberada pela combustão do combustível é convertida em trabalho mecânico para mover o pistão enquanto outra parte se dissipa na forma de calor para o ambiente A segunda lei da termodinâmica estabelece que o calor sempre flui espontaneamente de um corpo quente para um corpo frio e nunca o contrário sem a realização de trabalho externo Além disso essa lei demonstra que nenhuma máquina térmica pode ter eficiência de 100 pois sempre há perda de energia Um exemplo disso é o funcionamento de uma geladeira que só consegue resfriar seu interior porque um compressor utiliza eletricidade para forçar o calor a sair caso contrário ele se dissiparia naturalmente para dentro do equipamento A terceira lei da termodinâmica afirma que é impossível atingir o zero absoluto pois à medida que um sistema se aproxima dessa temperatura a quantidade de energia necessária para resfriálo ainda mais cresce indefinidamente Um exemplo prático dessa lei ocorre no estudo dos supercondutores materiais que apresentam resistência elétrica zero em temperaturas extremamente baixas mas nunca exatamente no zero absoluto pois sempre há alguma vibração residual das moléculas 3 Explique uma razão pela qual os processos termodinâmicos são frequentemente irreversíveis nas máquinas de calor Os processos termodinâmicos são frequentemente irreversíveis em máquinas térmicas devido à geração de entropia e à presença de perdas energéticas Em qualquer máquina real ocorrem fatores que impedem um funcionamento totalmente eficiente e reversível Um dos principais motivos da irreversibilidade é o atrito entre as partes móveis que transforma parte da energia útil em calor dissipado para o ambiente Além disso a transferência de calor entre superfícies com diferentes temperaturas sempre resulta em perdas pois parte dessa energia não pode ser reaproveitada para realizar trabalho útil Outro fator importante é a combustão não perfeita Em motores a combustão interna por exemplo a queima do combustível nunca ocorre de maneira completamente eficiente o que resulta na formação de gases residuais e na perda de energia Além disso a turbulência e a mistura de fluidos dentro do motor geram dissipação de energia tornando o processo irreversível Por esses motivos nenhuma máquina térmica consegue operar de forma completamente reversível pois sempre há perdas inevitáveis de energia que limitam sua eficiência máxima 4 Explique por que um motor térmico em ação não viola a 2ª lei da termodinâmica A segunda lei da termodinâmica estabelece que o calor sempre flui naturalmente de um corpo mais quente para um corpo mais frio e que nenhum motor térmico pode ter 100 de eficiência Essa lei também afirma que parte da energia térmica de um motor sempre será dissipada para o ambiente e não poderá ser convertida completamente em trabalho Um motor térmico em ação segue essa lei porque ele opera entre duas fontes de temperatura uma fonte quente onde ocorre a combustão ou aquecimento do fluido de trabalho e uma fonte fria para onde parte da energia térmica é liberada Durante esse processo o motor converte parte da energia térmica em trabalho mecânico mas uma fração dessa energia é inevitavelmente perdida na forma de calor para o meio externo Se um motor térmico conseguisse converter todo o calor recebido em trabalho útil sem nenhuma dissipação de calor para uma fonte fria ele violaria a segunda lei da termodinâmica No entanto na prática isso nunca acontece Mesmo os motores mais eficientes ainda precisam descartar calor para o ambiente garantindo que a lei seja respeitada 5 Uma janela é constituída de duas placas de vidro de 7 mm de espessura encerrando um gás de nitrogênio a 1 atm de pressão com 5 mm de espessura outra é constituída de apenas um vidro com 15 mm de espessura Calcule e compare as resistências térmicas de ambas Lvidro 0007m LN2 0005m kvidro 1 WmK kN2 0024 WmK Janela 1 Duas placas de vidro cada uma com 7mm de espessura Rjanela1 Rvidro1RN2Rvidro2 Rjanela1 LvidrokvidroLN2kN2Lvidrokvidro Rjanela1 0007100050024 00071 Rjanela1 02223 m²KW Janela 2 Uma única placa de vidro com 15mm de espessura Rjanela2 Lvidrokvidro Rjanela2 00151 Rjanela2 0015 m²KW A janela com duas placas de vidro e a camada de nitrogênio tem uma resistência térmica significativamente maior do que a janela de vidro único Isso significa que a janela dupla com nitrogênio é muito mais eficiente em isolar termicamente pois oferece maior resistência à transferência de calor 6 É possível haver um processo isocórico e adiabático em um gás em que sua pressão aumente Explique sua resposta Não um processo isocórico e adiabático simultâneo no qual a pressão do gás aumenta não é fisicamente possível Um processo isocórico é aquele em que o volume do gás permanece constante ou seja o gás não se expande nem se contrai Isso significa que qualquer variação de energia interna do gás só pode ocorrer devido a uma troca de calor com o ambiente já que o trabalho realizado sobre o gás ou pelo gás depende da variação de volume Já um processo adiabático é aquele em que não há troca de calor com o ambiente Isso significa que toda a variação de energia interna do gás deve ocorrer exclusivamente devido ao trabalho realizado sobre ele ou por ele Se um gás estivesse em um recipiente de volume fixo processo isocórico ele não poderia sofrer compressão ou expansão para alterar sua energia interna pelo trabalho Se ao mesmo tempo ele não pudesse trocar calor com o ambiente processo adiabático sua energia interna permaneceria inalterada Como a pressão de um gás está diretamente relacionada à sua temperatura e volume e o volume não muda nesse caso a única forma de aumentar a pressão seria aquecendo o gás Porém isso exigiria transferência de calor o que violaria a condição adiabática Portanto um processo que seja simultaneamente isocórico e adiabático não pode resultar em aumento de pressão pois não há nenhum mecanismo para fornecer energia ao gás de maneira que altere sua pressão sem que o volume mude ou ocorra troca de calor 7 Em um gás que se expande em um processo isobárico deduza a equação para sua variação de energia interna em função da temperatura Primeira Lei ΔU Q W Processo Isobárico W PΔV PVfVi Calor Transferido Q nCPΔT nCPTfTi Para um Gás Ideal CP CVR Então ΔU nCVΔT nCVTfTi 8 Descreva os mecanismos de transferência de energia na forma de calor e cite dois exemplos práticos de cada um Condução A condução ocorre quando o calor se propaga através do contato direto entre moléculas sem transporte de matéria Nesse processo as moléculas mais energéticas transferem sua energia para as moléculas vizinhas aumentando a temperatura do material ao longo do tempo Exemplos Quando seguramos uma colher de metal em uma panela quente o calor se propaga do fundo da colher até nossa mão O aquecimento de um ferro de passar roupa onde o calor gerado pela resistência elétrica se propaga pelo metal até atingir a base do ferro Convecção A convecção ocorre quando o calor é transferido pelo movimento de fluidos líquidos ou gases O fluido quente sobe e o fluido frio desce criando correntes de convecção que distribuem o calor Exemplos O aquecimento da água em uma panela a água próxima ao fundo da panela aquece sobe para a superfície e a água fria desce formando um ciclo de convecção O funcionamento de um arcondicionado que resfria o ar quente próximo ao teto e o faz circular distribuindo o ar mais frio pelo ambiente Radiação A radiação ocorre por meio de ondas eletromagnéticas sem necessidade de um meio material para transportar o calor Esse tipo de transferência de energia pode ocorrer até no vácuo Exemplos O calor do Sol chegando à Terra atravessando o vácuo do espaço por meio de radiação infravermelha O aquecimento das mãos ao se aproximar de uma fogueira sem precisar tocar diretamente no fogo ou no ar quente 9 Descreva os mecanismos de transferência de calor nos sólidos Nos sólidos o principal mecanismo de transferência de calor é a condução térmica Nesse processo a energia térmica se propaga devido à vibração das moléculas e à movimentação dos elétrons livres quando presentes sem transporte de matéria A condução térmica ocorre porque quando uma região do sólido é aquecida as partículas nessa área ganham energia e começam a vibrar mais intensamente Essas vibrações são transmitidas para as partículas vizinhas espalhando o calor ao longo do material Em sólidos metálicos além da transferência de calor por vibração atômica há um mecanismo adicional os elétrons livres Esses elétrons que não estão ligados a átomos específicos movimentamse pelo material e transportam energia térmica de forma muito eficiente Isso explica por que os metais geralmente são bons condutores de calor Nos sólidos não metálicos como cerâmicas e polímeros a condução térmica ocorre apenas pela vibração das ligações entre os átomos tornando o processo menos eficiente em comparação com os metais 10 Explique por que os metais tendem a apresentar maior condutividade térmica do que as cerâmicas e estas do que os polímeros A diferença na condutividade térmica entre metais cerâmicas e polímeros está relacionada à maneira como cada material transporta calor internamente Metais possuem alta condutividade térmica porque além da transferência de calor por vibração das ligações entre os átomos eles contam com elétrons livres Esses elétrons se movem rapidamente pelo material e transportam energia térmica de forma muito eficiente resultando em uma condução térmica elevada Cerâmicas por outro lado não possuem elétrons livres para contribuir com a condução térmica O calor se propaga apenas por meio das vibrações da rede cristalina do material o que torna a transferência de calor mais lenta em comparação com os metais Além disso muitas cerâmicas possuem estrutura porosa o que dificulta ainda mais a condução térmica Polímeros apresentam a menor condutividade térmica porque suas moléculas são compostas por longas cadeias orgânicas ligadas por interações fracas Essas cadeias não permitem uma transmissão eficiente da energia térmica já que a vibração das moléculas não se propaga de forma organizada Além disso a maioria dos polímeros contém espaços cheios de ar entre suas cadeias e o ar é um isolante térmico natural Portanto a presença de elétrons livres nos metais a estrutura cristalina das cerâmicas e a organização molecular dos polímeros são os principais fatores que determinam suas diferentes condutividades térmicas