Exemplo de uma máquina térmica (aplicação da segunda lei da termodinâmica)

9 exemplos de problemas de máquinas térmicas (aplicação da segunda lei da termodinâmica)

1. Em um ciclo, um motor absorve 3000 Joules de calor de um reservatório de alta temperatura e rejeita 1000 Joules de calor para um reservatório de baixa temperatura. Determine a eficiência do motor térmico!

Discussão
Motor térmico O termo "Carnot" nas perguntas desta página não é o mesmo que "máquina de Carnot". Uma máquina de Carnot é uma máquina térmica ideal e existe apenas teoricamente. Em contraste, a máquina térmica mencionada nesta questão é uma máquina térmica real, não uma máquina térmica teórica (a máquina de Carnot).
Conhecido :
Calor absorvido (Q)_H) = 3000 Joule
Calor liberado (Q)_L) = 1000 Joule
Trabalho produzido pela máquina (W) = 3000 – 1000 = 2000 Joules
Perguntado Eficiência do motor térmico (e)
Jawab :

2. Uma máquina térmica produz 2000 Joules de trabalho e rejeita 500 Joules de calor em um ciclo. A eficiência da máquina é…

Discussão
Conhecido :
Trabalho produzido pela máquina (W) = 2000 Joules
Calor liberado (Q)_L) = 5000 Joule
Calor absorvido (Q)_H) = 2000 + 5000 = 7000 Joule
Perguntado Eficiência do motor térmico (e)
Jawab :

3. Um motor de carro tem uma eficiência de 30%. Se o motor produz 10.000 Joules de trabalho por ciclo, quanto calor é rejeitado pelo motor por ciclo?
Discussão
Conhecido :
Eficiência (e) = 30% = 30/100 = 0,3
Trabalho produzido pela máquina (W) = 3000 Joules
Perguntado O calor dissipado pelo motor a cada ciclo (Q)_L)
Jawab :
Calcule o calor absorvido (Q)._H) usando a fórmula de eficiência (e) de uma máquina térmica:
Calor dissipado por ciclo (Q_L) = calor absorvido (Q_H) – trabalho gerado (W)
Q_L = 10.000 Joules – 3000 Joules
Q_L = 7000 Joule

Eficiência de motores térmicos, motores de Carnot

4. Uma máquina térmica absorve 3.000 Joules de calor de um reservatório de alta temperatura e rejeita 2.400 Joules para um reservatório de baixa temperatura. A eficiência da máquina é de …
A. 10%
B. 15%
C. 20%
D. 30%
E. 40%
Discussão:
Conhecido :
Q_H = 3000 Joules, Q_L = 2400 Joules.
Perguntado :
Eficiência (e) de uma máquina térmica?
Jawab :
A resposta correta é C.

5. Um motor de Carnot possui um reservatório de alta temperatura de 300 ^oC e reservatório de baixa temperatura 80 ^oC. A eficiência da máquina é…
A. 38%
B. 45%
C. 50%
D. 58%
E. 67%
Discussão:
Conhecido :
T_L = 80^oC = (80 + 273) K = 353 K
T_H = 300^oC = (300 + 273) K = 573 K
Se a temperatura for conhecida em unidades Celsius, ela deverá ser convertida para unidades Kelvin (Kelvin é o Sistema Internacional de Unidades de Temperatura).
Perguntado :
Qual é a eficiência (e) de um motor de Carnot?
Jawab :

A resposta correta é A.

6. A temperatura máxima do reservatório do motor de Carnot é de 600 K e sua eficiência é de 60%. Para atingir 70% de eficiência, a temperatura máxima do reservatório do motor de Carnot deve ser...
A. 500 K
B. 800 K
C. 1000 K
D. 1200 K
E. 1500 K
Discussão:
Conhecido :
Dados 1: T_H = 600 K, e = 60%
Dados 2: T_H = …. K ?, e = 70 %
Perguntado :
Alta temperatura (T)_H)
Jawab :
Use os dados 1 para calcular a temperatura mínima (T)._L).
Use T_L e dados 2 para calcular a temperatura alta (T)_H):
Para atingir 70% de eficiência, a temperatura máxima é de 800 Kelvin.
A resposta correta é B.

7. Observe o gráfico PV da máquina de Carnot abaixo. Se W = 5000 Joules, então a quantidade de calor liberada pela máquina por ciclo é...
A. 2.315 Joule
B. 3.475 Joule
C. 3.750 Joule
D. 5.000 Joule
E. 5.600 Joules

Discussão:
Conhecido :
W = 5000 Joule
T_H = 780K
T_L = 320K
Perguntado :
Q₂ ?
Jawab :
Eficiência do motor de Carnot:
e = 1 – (T_L/T_H) = 1 – (320/780) = 1 – 0,41 = 0,59
Apenas 59% do calor é usado para realizar trabalho. Use esses dados para calcular o calor absorvido pela máquina de Carnot (Q).₁).
(0,59)(Q₁) = 5000 Joule
Q₁ = 5000 Joules/0,59 = 8475 Joules
A quantidade de calor absorvida pelo motor é de 8475 Joules.
A quantidade de calor liberada pelo motor por ciclo:
W = Q₁ - Q₂
5000 Joules = 8475 Joules – Q₂
Q₂ = 8475 Joules – 5000 Joules
Q₂ = 3475 Joule
A resposta correta é B.

8. Observe o diagrama PV da máquina de Carnot abaixo! Se o calor absorvido (Q)₁) = 8000 Joules, então o trabalho realizado pela máquina de Carnot é…
A. 1640 J
B. 4720 J
C. 5640 J
D. 6270 J
E. 8840 J

Discussão:
Conhecido :
Q₁ = 8000 J
T_H = 820K
T_L = 380K
Perguntado :
C ?
Jawab :
Eficiência do motor de Carnot:
e = 1 – (T_L/T_H) = 1 – (380/820) = 1 – 0,46 = 0,54
Apenas 54% do calor é utilizado para realizar trabalho. Utilize esses dados para calcular o trabalho realizado pela máquina de Carnot (W).
(0,59)(8000) = 4720 Joules
O trabalho realizado pela máquina de Carnot é de 4720 Joules.
A resposta correta é B.

9. Um motor de Carnot funciona entre um reservatório de calor de 520 ^oC e reservatório frio 110 ^oC. Se a máquina absorve 3000 Joules de calor do reservatório quente, então a quantidade de calor rejeitada pela máquina é...
A. 450 joules
B. 800 joules
C. 1000 minutos
D. 1200 joules
E. 1440 joules
Discussão:
Conhecido :
T_H = 520 + 273 = 793 K
T_L = 110 + 273 = 383 K
Q₁ = 3000 J
Perguntado :
Q₂ = … ?
Jawab :
Eficiência do motor de Carnot:
e = 1 – (383/793) = 1 – 0,48 = 0,52
Utilize esses dados para calcular o trabalho realizado pelo motor (W).
(0,52)(3000) = 1560 Joules
O trabalho realizado pela máquina é de 1560 Joules.
A quantidade de calor liberada pelo motor:
Q₂ = 3000 Joules – 1560 Joules
Q₂ = 1440 Joule
O calor liberado pelo motor é de 1440 Joules.