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Questão 41 da UFPR 2008

1ª fase · Física: Máquinas térmicas e segunda lei da termodinâmica

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.

  1. A
    Somente as afirmativas 1 e 3 são verdadeiras.
  2. B
    Somente a afirmativa 1 é verdadeira.
  3. C
    Somente a afirmativa 2 é verdadeira.
  4. D
    Somente as afirmativas 1 e 2 são verdadeiras.
  5. E
    Somente as afirmativas 2 e 3 são verdadeiras.
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Resolução comentada

Vamos testar cada afirmativa com a segunda lei da termodinâmica.

Afirmativa 1. O rendimento mede quanto do calor recebido vira trabalho útil:

\eta = \frac{W}{Q_q}

onde W é o trabalho realizado no ciclo e Q_q é o calor retirado da fonte quente. Isso é exatamente o que o texto diz. Verdadeira.

Afirmativa 2. Uma máquina térmica comum recebe calor da fonte quente, converte parte em trabalho e rejeita o resto na fonte fria. O refrigerador faz o caminho inverso: usa trabalho externo (o motor do compressor) para retirar calor do ambiente frio, como o interior da geladeira, e jogá-lo em um ambiente mais quente, a cozinha. Ele é uma máquina térmica operando em ciclo invertido. O calor não passa espontaneamente do frio para o quente, mas passa quando há trabalho sendo realizado. Verdadeira.

Afirmativa 3. Esta é a negação do enunciado de Kelvin-Planck: nenhuma máquina que opera em ciclos pode ter como único efeito retirar calor de uma fonte e transformá-lo integralmente em trabalho. Sempre há calor rejeitado para a fonte fria, então \eta<1. Falsa.

Portanto, só as afirmativas 1 e 2 são verdadeiras.

Alternativa D.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • AConsidera a afirmativa 3 verdadeira, mas ela contradiz o enunciado de Kelvin-Planck da segunda lei.
  • BIgnora que o refrigerador é uma máquina térmica que, com trabalho externo, leva calor do frio para o quente.
  • CDescarta a afirmativa 1, que é a definição correta de rendimento.
  • EAceita a afirmativa 3 (impossível pela segunda lei) e descarta a 1, que é correta.

Assunto: Máquinas térmicas e segunda lei da termodinâmica.

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Fonte: UFPR 2008 · 1ª fase. Prova oficial ↗