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Exercícios de Física: 1ª Lei da Termodinâmica, Exercícios de Físico-Química

Uma série de exercícios sobre a 1ª lei da termodinâmica, abrangendo conceitos como energia potencial, energia cinética, variação de energia, calor, trabalho e processos termodinâmicos. Os exercícios são adequados para estudantes de física e engenharia, proporcionando uma prática aprofundada sobre os princípios da termodinâmica.

Tipologia: Exercícios

2022

Compartilhado em 11/03/2025

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1. Água escoa em uma queda d'água com 100 m de altura. Considere a água como o sistema, e considere que
o sistema não troque energia com sua vizinhança.
(a) Qual é a energia potencial da água no topo da queda d'água em relação à sua base?
(b) Qual é a energia cinética da água no instante anterior ao seu choque com a base da queda d'água?
(c) Após a massa de 1 kg de água entrar no curso do rio a jusante da queda, que modificação ocorreu no seu
estado?
2. Um gás encontra-se confinado em um cilindro por um êmbolo. A pressão inicial do gás é de 7 bar, e o
seu volume é de 0,10 m3. O êmbolo é mantido imóvel por presilhas localizadas na parede do cilindro.
O equipamento completo encontra-se no vácuo total.
(a) Qual é a variação de energia do equipamento, se as presilhas forem removidas de tal forma que o gás se
expanda subitamente para o dobro do seu volume inicial, com o êmbolo sendo retido por outras presilhas
no final do processo?
(b) Se o processo descrito for repetido, não no vácuo, mas no ar, a uma pressão atmosférica padrão de
101 ,3 kPa, qual é a variação de energia do equipamento? Admita que a taxa de transferência de calor
entre o equipamento e o ar ambiente seja lenta quando comparada à taxa na qual o processo ocorre.
3. Quando um sistema é levado do estado a para o estado b, ao longo da trajetória acb, 100 J de calor fluem
para dentro do sistema e o sistema realiza 40 J de trabalho.
(a) Qual a quantidade de calor que flui para dentro do sistema ao longo da trajetória aeb, se o trabalho
realizado pelo sistema for de 20 J?
(b) O sistema retorna de b para a pela trajetória bda. Se o trabalho realizado sobre o sistema for de 30 J, o
sistema absorverá ou liberará calor? Qual a quantidade?
Lista de
Exercí
cios
Físico
Química
Engenharia de Minas
Prof. Myller Fernandes
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ª Lei da termodinâmica
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1. Água escoa em uma queda d'água com 100 m de altura. Considere a água como o sistema, e considere que o sistema não troque energia com sua vizinhança. (a) Qual é a energia potencial da água no topo da queda d'água em relação à sua base? (b) Qual é a energia cinética da água no instante anterior ao seu choque com a base da queda d'água? (c) Após a massa de 1 kg de água entrar no curso do rio a jusante da queda, que modificação ocorreu no seu estado? 2. Um gás encontra-se confinado em um cilindro por um êmbolo. A pressão inicial do gás é de 7 bar, e o seu volume é de 0,10 m^3. O êmbolo é mantido imóvel por presilhas localizadas na parede do cilindro. O equipamento completo encontra-se no vácuo total. (a) Qual é a variação de energia do equipamento, se as presilhas forem removidas de tal forma que o gás se expanda subitamente para o dobro do seu volume inicial, com o êmbolo sendo retido por outras presilhas no final do processo? (b) Se o processo descrito for repetido, não no vácuo, mas no ar, a uma pressão atmosférica padrão de 101 ,3 kPa, qual é a variação de energia do equipamento? Admita que a taxa de transferência de calor entre o equipamento e o ar ambiente seja lenta quando comparada à taxa na qual o processo ocorre. 3. Quando um sistema é levado do estado a para o estado b , ao longo da trajetória acb , 100 J de calor fluem para dentro do sistema e o sistema realiza 40 J de trabalho. (a) Qual a quantidade de calor que flui para dentro do sistema ao longo da trajetória aeb , se o trabalho realizado pelo sistema for de 20 J? (b) O sistema retorna de b para a pela trajetória bda. Se o trabalho realizado sobre o sistema for de 30 J, o sistema absorverá ou liberará calor? Qual a quantidade?

Lista de Exercícios

Físico-Química Engenharia de Minas Prof. Myller Fernandes

1 ª Lei da termodinâmica

4. Ar a 1 bar e 298,15 K (250 ºC) é comprimido até 5 bar e 298,15 K, através de dois diferentes processos mecanicamente reversíveis: i. Resfriamento a pressão constante seguido por aquecimento a volume constante. ii. Aquecimento a volume constante seguido de resfriamento a pressão constante. Calcule para cada trajetória: (a) Calor (b) Trabalho (c) ΔU (d) ΔH do ar para cada trajetória. As capacidades caloríficas do ar podem ser consideradas independentes da temperatura: cv = 20,78 J.mol-^1 K-^1 cp = 29,10 J.mol-^1 K-^1 Admita também para o ar que PV/T é uma constante, independente das mudanças pelas quais ele passe. A 298,15 K e 1 bar, o volume molar do ar é de 0,02479 m³.mol-^1_._ 5. volume de ar seco é aquecido pela superfície da Terra, a uma altitude de 550 m acima do nível do mar, onde a pressão atmosférica equivale a 0,94x10^5 Pa, atingindo a temperatura de 310 K. O volume de ar começa então a subir, expandindo-se adiabaticamente, até chegar à altitude de 1550 m acima do nível do mar, onde a pressão atmosférica equivale a 0,84x10^5 Pa. Calcular a temperatura do ar ao chegar a essa altitude. Qual é o gradiente térmico? (R: 300,2 K; 9,8 K/km) 6. 10 mol de ar atmosférico à temperatura de 300 K sofre uma expansão adiabática entre as pressões de 1 ,2 x10^5 Pa e 0,9 x10^5 Pa. (a) Calcular o volume inicial do ar e a temperatura e o volume final da expansão. (b) Representar o processo em um diagrama PV. (c) Qual foi o trabalho e qual foi a variação da energia interna do sistema neste processo? 7. Ar é comprimido de um estado inicial de 1 bar e 25 ºC até um estado final de 5 bar e 25 ºC, através de três diferentes processos mecanicamente reversíveis em um sistema fechado: i Aquecimento a volume constante seguido de resfriamento a pressão constante. ii Compressão isotérmica. iii Compressão adiabática seguida de resfriamento a volume constante. Considere que o ar seja um gás ideal com capacidades caloríficas constantes, Cv = (5/2)R.e Cp = (7/2)R. Calcule o trabalho necessário, o calor transferido e as variações na energia interna e na entalpia do ar para cada processo.