3- No decorrer do século XIX, várias experiências mostraram que o calor é uma forma de energia. Esses experimentos deram origem a um importante ramo da física denominado Termodinâmica. A luz deste conceito:
a) Descreva as leis fundamentais da termodinâmica;
b) Um motor térmico é um dispositivo que absorve uma certa quantidade de calor de uma fonte e realiza trabalho mecânico usando a energia absorvida no processo
termodinâmica. Como se mede o rendimento (ou eficiência) destes motores térmicos? Baseado nas leis da Termodinâmica, é possível se construir um motor térmico com rendimento de
? Explique.
c) Dadas uma fonte quente e uma fonte fria, qual é a máxima eficiência que se pode obter de um motor térmico operando entre essas duas fontes? (Valor 0,00 a 1,00 pts)
a) Descreva as leis fundamentais da termodinâmica;
b) Um motor térmico é um dispositivo que absorve uma certa quantidade de calor de uma fonte e realiza trabalho mecânico usando a energia absorvida no processo
termodinâmica. Como se mede o rendimento (ou eficiência) destes motores térmicos? Baseado nas leis da Termodinâmica, é possível se construir um motor térmico com rendimento de
c) Dadas uma fonte quente e uma fonte fria, qual é a máxima eficiência que se pode obter de um motor térmico operando entre essas duas fontes? (Valor 0,00 a 1,00 pts)
Passo 1
O enunciado pede três coisas dentro do tema Termodinâmica: a) descrever as leis fundamentais dessa área da física; b) definir como se mede o rendimento de um motor térmico, dizer se é possível atingir
de eficiência com base nas leis da termodinâmica; c) para duas fontes térmicas (quente e fria), dar a máxima eficiência possível de um motor operando entre elas.
Passo 2
a) As leis fundamentais da Termodinâmica são:
0ª Lei (equilíbrio térmico): se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, estão em equilíbrio entre si, o que justifica a definição de temperatura.
1ª Lei (conservação da energia): a variação da energia interna de um sistema é a diferença entre o calor recebido
e o trabalho realizado
, isto é,
0ª Lei (equilíbrio térmico): se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, estão em equilíbrio entre si, o que justifica a definição de temperatura.
1ª Lei (conservação da energia): a variação da energia interna
2ª Lei (entropia e irreversibilidade): a entropia total de um sistema isolado nunca diminui; em processos reais, gera-se entropia e não é possível converter todo calor em trabalho sem rejeitar parte dele.
3ª Lei (zero absoluto): ao se aproximar do zero absoluto , a entropia de um cristal perfeito tende a um valor constante (normalmente zero).
3ª Lei (zero absoluto): ao se aproximar do zero absoluto
Passo 3
b) Um motor térmico recebe calor
de uma fonte quente, rejeita calor
a uma fonte fria e faz trabalho
. Pela 1ª Lei,
Define-se rendimento (eficiência) como a razão entre o trabalho útil e o calor recebido:
Pela 2ª Lei, sempre haverá calor rejeitado
em qualquer ciclo térmico real; para ter
seria necessário
, o que violaria a 2ª Lei. Logo, não se pode construir um motor térmico com
de rendimento.
Passo 4
c) O maior rendimento possível corresponde a um ciclo reversível (Carnot) operando entre temperaturas absolutas
(fonte quente) e
(fonte fria). Nesse caso,
com
e
em kelvin. Essa é a eficiência máxima teórica (sempre menor que 1).
Resposta
a)
0ª Lei: definição de temperatura via equilíbrio térmico.
1ª Lei: .
2ª Lei: entropia não diminui; não toda energia térmica vira trabalho.
3ª Lei: entropia tende a um valor constante no zero absoluto.
0ª Lei: definição de temperatura via equilíbrio térmico.
1ª Lei:
2ª Lei: entropia não diminui; não toda energia térmica vira trabalho.
3ª Lei: entropia tende a um valor constante no zero absoluto.
b)
.
Não é possível ter porque a 2ª Lei exige rejeição de calor
.
Não é possível ter
c)
.