Exercícios de Ciclo de Carnot

Uma máquina térmica de Carnot opera entre as temperaturas constantes de 420 K e 315 K e, a cada ciclo, realiza um trabalho de 600 cal. O calor rejeitado pela máquina à fonte fria é, então, totalmente transferido para uma mistura de gelo e 45 g de água líquida que se encontra a 0°C, ao nível do mar. A razão entre a massa do gelo e a massa da água líquida é de 27. Após a máquina térmica executar N ciclos, toda a mistura encontra-se na forma de vapor de água a 100°C. O valor de N é:

Dados: A única troca de calor da mistura é o calor recebido da fonte fria e que foi rejeitado pela máquina térmica; o calor latente de fusão do gelo é 80 cal/g; o calor latente de vaporização da água é de 540 cal/g; o calor específico da água é de 1 cal/g°C.

Uma usina geotérmica aproveita a energia interna da Terra, transformando-a em energia mecânica, e esta, por sua vez, em energia elétrica. Como tem baixa emissão de poluentes, esse tipo de geração de energia contribui para um desenvolvimento sustentável, por reduzir drasticamente a liberação de produtos químicos nocivos aos ecossistemas. Em certo tipo de usina geotérmica, aproveita-se o vapor d’água de reservatórios subterrâneos que armazenam água a alta temperatura, conduzindo-o, em alta pressão, por tubos até as turbinas acopladas aos geradores.

Considere uma dessas usinas que utilizam vapor d’água a 127°C como fonte de energia. Tal usina está localizada numa área cuja temperatura ambiente é de 27°C. Se operasse como uma máquina térmica reversível entre essas duas temperaturas, o rendimento máximo da usina em % seria

Uma máquina térmica, operando no ciclo de Carnot, extrai 1500 J de energia do reservatório quente, cuja temperatura é de 250 K. A eficiência máxima da máquina, o trabalho realizado e a energia liberada para o reservatório frio a 150 K, por ciclo de operação da máquina, são, respectivamente,

A conversão de energia térmica em eletricidade nos oceanos em virtude da diferença de temperatura entre as águas da superfície e as águas profundas, OTEC, do inglês Ocean Thermal Energy Conversion , é uma tecnologia de energia renovável. O principal desafio tecnológico desse projeto é gerar quantidades significativas de energia, de forma eficiente, a partir de pequenas diferenças (gradientes) de temperatura. De forma a produzir trabalho útil, a OTEC funciona essencialmente como uma máquina térmica operando entre duas fontes térmicas, a superfície e a profundeza do oceano. Embora a OTEC possa operar em ciclo aberto, fechado ou híbrido fazendo uso de líquido refrigerante, para efeito de cálculo, será considerado o ciclo fechado. Suponha que esse sistema opere como uma máquina térmica entre os extremos de temperatura 25 °C (superfície do oceano) e 10 °C (profundeza do oceano) com uma taxa de realização de trabalho de 2 MW. Além disso, ao estimar o rendimento máximo dessa máquina por meio do ciclo de Carnot, operando entre os extremos de temperatura, obtém-se como taxa de extração de calor da superfície da água, aproximadamente, o valor de

Máquina térmica é um dispositivo que extrai energia de uma fonte quente na forma de calor e realiza trabalho útil. Impulsionado pela revolução industrial, iniciada em 1760, no desenvolvimento das máquinas a vapor ficou evidente que não existe máquina térmica perfeita, ou seja, aquela na qual toda a energia transferida da fonte quente na forma de calor seja transformada totalmente em trabalho realizado pela máquina. No entanto, mesmo antes que a primeira lei da termodinâmica e o conceito de entropia fossem descobertos, o francês Nicolas Léonard Sadi Carnot publicou, em 1824, o trabalho “Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance” (Reflexões sobre a potência motriz do fogo e máquinas próprias para aumentar essa potência), onde desenvolveu o conceito de uma máquina térmica ideal, hoje conhecida como máquina de Carnot, que utiliza o calor com maior eficiência para realizar trabalho útil. Atualmente, os melhores motores de combustão interna do mercado possuem eficiência de, no máximo, 40%.

Considerando esses motores como uma máquina térmica ideal de Carnot operando com uma eficiência de 40%, cuja fonte fria está à temperatura de 27°C, podemos afirmar que a diferença de temperatura entre a fonte quente e a fonte fria é aproximadamente igual a:

Uma máquina térmica opera segundo o ciclo de Carnot com um rendimento de 0,2. Se aumentarmos a temperatura da fonte quente em 25%, o novo rendimento dessa máquina térmica, segundo o ciclo de Carnot, será de:

A figura a seguir representa trocas de calor e realização de trabalho em uma máquina térmica. Nela estão indicados os valores da temperatura T₁ e da quantidade de calor cedido Q₁, relativos à fonte quente, e do trabalho τ realizado por essa máquina. Além disso, tem-se que T₂ e Q₂ correspondem, respectivamente, à temperatura e à quantidade de calor rejeitada para a fonte fria.

Seu rendimento corresponde a 75% do rendimento da máquina de Carnot, em regime de funcionamento entre as temperaturas T₁ e T₂. Nessas condições, a temperatura T₂, da fonte fria, é, em kelvin,

Um projetista de motores deseja separar em dois estágios, 1 e 2, a realização de trabalho de uma máquina térmica de Carnot com o objetivo de tentar aumentar a sua eficiência total. O esquema idealizado é mostrado na figura a seguir:

Considere que as eficiências de Carnot associadas aos Trabalhos 1 e 2 são iguais a η1 e η2, respectivamente. Ent ão, é CORRETO afirmar que o(a)

Uma máquina térmica opera em um ciclo termodinâmico, retirando 1000 J da fonte quente, que se encontra a 600^∘ C. e produzindo 400 J de trabalho. Se o rendimento dessa máquina é 70% do rendimento de um ciclo de Carnot nas mesmas condições, a temperatura da fonte fria, em °C, é

Uma máquina térmica hipotética funciona entre duas fontes térmicas, uma de temperatura 0^∘ C e outra de temperatura que corresponde ao dobro da anterior. A pessoa que propôs essa máquina térmica afirmou que desta forma conseguiu um rendimento de 80%, muito superior a qualquer máquina térmica real. Assinale a alternativa que está correta, considerando a situação descrita e o que prevê a Termodinâmica.