Fundamentos de Física 9ª Edição Vol 2 - Halliday 2 ED 9 (em cores)

270 CAPÍTULO 20
•• 15 Uma mistura de 1773 g de água e 227 g de gelo está inicialmente
em equilíbrio a O,OOOºC. A mistura é levada, através de u1n
processo reversível, a um segundo estado de equilíbrio no qual a
razão água-gelo, em massa, é 1,00:1,00 a O,OOOºC. (a) Calcule a
variaç!o de entropia do sistema durante esse processo. (O calor
de fusao da água é 333 kJ/kg.) (b) O siste1na retorna ao estado de
equilíbrio inicial através de u1n processo irreversível (usando, por
e~emplo, um bico de Bunsen). Calcule a variação de entropia do
sistema durante esse processo. (c) As respostas dos itens (a) e (b)
- , .
sao compat1ve1s com a segunda lei da termodinâmica?
••16 Um cubo de gelo de 8,0 g a -lOºC é colocado em uma garrafa
térmica com 100 cm 3 de água a 20ºC. De quanto varia a entropia
do siste1na cubo-água até o equillôrio ser alcançado? O calor
específico do gelo é 2220 J/kg · K.
••17 Na Fig. 20-25, onde V 23
= 3,00V 1
, n mols de um gás diatômico
ideal passam por um ciclo no qual as moléculas giram, mas
não oscilam. Determine (a) p 2
/p 1
, (b) p 3
/p 1
e (c) T 3
/T 1 • Para a trajetória
1 --+ 2, determine (d) WlnRT 1
, (e) Q/nRT 1
, (f) t:lE; 0
/nRT 1 e (g)
!::i.S/nR. Para a trajetória 2--+ 3, determine (h) W/nRT 1 , (i) Q/nRT 1 ,
U) 6.Ein/nRT 1 e (k) !::i.SlnR. Para a trajetória 3 --+ 1, determine (1)
WlnRTi, (m) Q/nRT 1 , (n) !::i.E; 0
/nRT 1 e (o) !::i.S/nR.
Figura 20-25 Problema 17.
VÍ
1
Volume
• • 18 Urna amostra de 2,0 mols de um gás monoatômico ideal é
submetida ao processo reversível da Fig. 20-26. A escala do eixo
vertical é definida por T, = 400,0 K e a escala do eixo horizontal é
definida por S, = 20,0 J/K. (a) Qual é a energia absorvida pelo gás
na forma de calor? (b) Qual é a variação da energia interna do gás?
(c) Qual é o trabalho realizado pelo gás?
Figura 20-26 f>roblc1na 18.
--1-------
2
V23
o s 1
Entropia (J/ 1{)
••• 19 S11ponlia <fUC 1,00 11101 de u1n gás 1nonoatô1n~co ideal i_nicialrucntc
:, pn·ss, 1111 ,, e ocupando u1n voluml! V, scJa sub1net1do
ucc 1 v:uui·utc : 1 J 01 ., pio1.e..,.,os: ( 1) unia cxpausão 1soténnica até
v, 11111 ,1t 1111 , .!,CU) \\ 1 (}, uir1 au111cnto <lc pressão a volu1nc constante
1.11 º"'" pie , 111 ., 00 1
, 1
<)uai lo valo1 de {J/p, V, (a) para o processo
1 (h, , 11 11
a 1, I''º' • 11 1•1 <;11:1) l' 11 \alc,r de W/11, V, (1.) pnrn o pro
1,;l: 1 1 , {d, i,, 11
.. p,ui,;, o;o 'J.! l'.11,1 o p111l'l'''ºLntnpletu, qual L' o
1
\: dLJr I J (l AI 1 ,,\', e (IJ de J.l\'' CJ g:í• 1etor11a ao C'>lad111111c1al e
1 ,,uJ,, 101n 11111 c: i. 1 dol111 11l,11111 dL·~li1Vltalt,lVL'"ldo,,l'gu1n1t.:,
3
processos sucessivos: ( l) uma con1pressão isoté11nica até a pre:-,ão
2,00p, e (2) u1n au1nento de volu1ne até u1n volu1ne 2,00V 1 à pres.
são constante. Qual é o valor de Qlp, V, (g) para o processo l e (h)
para O processo 2? Qual é o valor de ivtp1 \ 1 , (i) para o processo l
e U) para o processo 2? Quais são os valores de (k) ÂE'"/p, \', e (1)
!::i.S para o processo co1npleto?
• • •20 Expande-se 1,00 1nol de u1n gás n1onoatônlico ideal inicia\.
mente a 5,00 kPa e 600 K do volu1ne inicial V; = 1.00 111 1 para 0
volume final v, = 2,00 1n 3 . E1n qualquer instante durante a e\pan.
são, a pressão JJ e o volu1ne V do gás estão relacionados por 1 , :::
5,00 exp[(V; - V)la], com p em kPa, V, e,, e1n tn 3 e a= 1,00 1111_
Qual é (a) a pressão e (b) a te1nperatura final do gás? (c) Qual é 0
trabalho realizado pelo gás durante a expansão? (d) Qual é o valor
de 6.S para a expansão? (Sugestão: use dois processos revers1,eis
simples para determinar 6.S.)
•• •21 -r!,$ É possível re1nover energia da água na fo1111a de calor
na temperatura de congelamento (0,0ºC à pressão at1nosfé1ica) ou
mesmo abaixo dessa temperatura sem que a água congele; quando isso
acontece, dizemos que a água está super-resfriada. Suponha que un1a
gota d'água de 1,00 g seja super-resfriada até que a ten1peratura seja a
mesma do ar nas vizinhanças, -5,00ºC. Em seguida, a gota congela
bruscamente, transferindo energia para o ar na f onna de calor. Qual
é a variação da entropia da gota? (Sugestão: use u1n processo reversível
de três estágios, como se a gota passasse pelo ponto no1n1al de
congelamento.) O calor específico do gelo é 2220 J/kg · K.
•••22 Uma garrafa térmica isolada contén1130 g de água a 80.0ºC.
Um cubo de gelo de 12,0 g a OºC é introduzido na gan·afa ténnica,
formando um sistema gelo + água original. (a) Qual é a te1npe.
ratura de equilíbrio do sistema? Qual é a variação de entropia da
água que originalmente era gelo (b) ao derreter e ( c) ao se aquecer
até a temperatura de equilíbrio? (d) Qual é a variação de entropia
da água original ao esfriar até a temperatura de equilíbrio'? (e) Qual
é a variação total de entropia do sistema gelo + água original ao
atingir a temperatura de equilíbrio?
Seção 20-s Entropia no Mundo Real:
M áquinas Térmicas
•23 Uma máquina de Carnot cuja fonte fria está a l 7ºC tein u1na
eficiência de 40o/o. De quanto deve ser elevada a te1nperatura da
fonte quente para que a eficiência au1nente para 50%?
•24 Uma 1náquina de Carnot absorve 52 kJ na fo1111a de calor e re·
jeita 36 kJ na for1na de calor en1 cada ciclo. Calcule (a) a eficiência
da máquina e (b) o trabalho realizado por ciclo e1n quilojoules.
•25 Uma máquina de Can1ot te1n uma eficiência de 22,0q. Ela
opera entre duas fontes de calor de ten1peratura constante cuJa di·
ferença de te1nperatura é 75,0Cº. Qual é a ten1peraturas (,\) da f1.1nk'
fria e (b) da fonte quente?
•26 Etn u1n reator de fusão nuclear hipotético. o con1bu~t,,cl ~ ,)
gás deutério a tuna temperatura de 7 >:.. 1 o~ K. Se o gá~ pudc,~c ,cr
usa ' d o para operar u1na n1.1qu1na · de Ca111ot con1 r, l LX)' l"' ~n..l
1 = ·
seria . . a e fi c1cnc1a ., . d a maquina·. , . ) T on1e as d uas ten1per, \lt""'" •-
~'\"'"'
exatas e calcule a resposta con1 sete algaris1no, ,,gníti('<\li, t''
l - "' ,b,,,1
• "'7 Un1a 111,\quina de Carnol ope1a entre 215''C e l .'.I l ·
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vendo 6.30 X 1 o~ J por ciclo na ten1pcrattHa ,n.u:. all,1. t;i) IJ 11 • 1 '
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a chc1cnc1a da 1naqu1na'? (b) Qual c o 1t.1halhl, J)l" c11.: t ..,
1náqu1na l' capai dl• ,euh,ar"'
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