Quais dessas imagens representam máquinas que facilitam a realização de trabalho mecânico

Máquinas térmicas são dispositivos que absorvem calor de uma fonte e convertem-no parcialmente em energia mecânica. Todas elas operam em ciclos e, ao final de um ciclo completo, os parâmetros de pressão, volume e temperatura (P,V,T) relacionados à substância de trabalho que é usada pela máquina sempre retomam seus valores iniciais (P0, V0, T0).

Índice Show

Introdução às máquinas térmicas
Rendimento das máquinas térmicas
Ciclo termodinâmico das máquinas térmicas
Ciclo de Carnot
Exercícios resolvidos sobre máquinas térmicas

A importância das máquinas térmicas é incontestável para nosso modelo de sociedade atual, em que fazemos uso de motores de combustão interna para um grande número de atividades e processos tecnológicos.

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As máquinas térmicas movidas a vapor já foram usadas para bombear água, como mostra a figura.

Introdução às máquinas térmicas

Máquinas térmicas são capazes de converter parcialmente o calor proveniente de uma fonte térmica em energia mecânica – cinética ou potencial. Nenhuma máquina térmica é perfeita, ou seja, mesmo a melhor máquina térmica já inventada jamais poderia ter um rendimento igual a 100%.

A razão pela qual não é possível existir uma máquina térmica perfeita é a 2ª lei da Termodinâmica, que diz o seguinte:

“Não é possível que qualquer sistema, a certa temperatura, absorva calor de uma fonte e transforme-o integralmente em trabalho mecânico, sem que ocorram modificações nesse sistema ou em suas vizinhanças.”

A forma como a segunda lei encontra-se escrita acima é conhecida como o enunciado de Kelvin. Segundo tal enunciado, em um ciclo completo, é impossível que uma máquina térmica converta integralmente calor em trabalho mecânico. Tal impossibilidade decorre do fato de que a máquina precisa “perder” parte da energia que absorve para retornar ao estado termodinâmico inicial de seu ciclo de funcionamento.

Em todas as máquinas térmicas, há uma fonte quente e uma fonte fria.

Chamamos de trabalho a porção de energia que uma máquina térmica foi capaz de converter em energia mecânica. Tal quantidade de energia pode ser calculada diretamente pela diferença entre a quantidade de calor que a máquina absorve de uma fonte quente pela quantidade de calor que a máquina dissipa para o meio externo, que comumente é chamado de fonte fria. A fórmula que é usada para calcular o trabalho realizado por uma máquina térmica é a seguinte:

τ – trabalho (J – joule ou cal – caloria)

QQ e QF – calor quente e calor frio

As máquinas térmicas estão presentes em nosso dia a dia e são fundamentais para o funcionamento de diversas tecnologias. Confira alguns exemplos:

motores de combustão interna – motores movidos a gasolina, álcool, diesel, GLP e querosene;
máquinas movidas a vapor – locomotivas, máquinas de tecer;
usinas termoelétricas;
refrigeradores e ar-condicionado – máquinas térmicas invertidas, chamadas de refrigeradores ou bombas de calor.

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Rendimento das máquinas térmicas

O rendimento das máquinas térmicas é sempre inferior a 100%, como já dissemos. Tal rendimento diz respeito à porcentagem da energia absorvida pela máquina que é convertida em calor ao longo de um ciclo completo. O cálculo do rendimento, feito em porcentagem, pode ser realizado se conhecemos parâmetros como a quantidade de calor “quente” (que é absorvida pela máquina a partir da fonte quente) e a quantidade de calor “frio” (cedido pela máquina à fonte fria).

A fórmula para calcular o rendimento das máquinas térmicas é a seguinte:

A fórmula do rendimento também pode ser escrita em termos do trabalho realizado pela máquina. Nesse caso, o rendimento é calculado pela razão entre o trabalho e a quantidade de calor absorvida pela máquina.

Para obter o rendimento da máquina em porcentagem, multiplica-se o resultado obtido nas fórmulas acima pelo fator 100.

Ciclo termodinâmico das máquinas térmicas

Ciclo termodinâmico é a sequência de estados que a substância de trabalho da máquina térmica passa a fim de que a máquina opere corretamente, convertendo calor em trabalho. Esse ciclo é geralmente representado na forma de um gráfico de P x V (pressão em função do volume). Além disso, o sentido das setas indica se o ciclo é relacionado a uma máquina térmica ou a um refrigerador, caso sejam representadas, respectivamente, no sentido horário e anti-horário.

A figura abaixo mostra o ciclo termodinâmico de uma máquina térmica genérica. Observe:

O ciclo termodinâmico representado na figura é utilizado nos motores movidos a gasolina.

Ciclo de Carnot

O ciclo de Carnot é um ciclo termodinâmico ideal cujo funcionamento apresenta o maior rendimento possível, dadas duas temperaturas de funcionamento (da fonte quente e da fonte fria). Dessa maneira, é esperado que uma máquina térmica real, como o motor de um carro, apresente um ciclo de formato mais próximo possível ao ciclo de Carnot.

Exercícios resolvidos sobre máquinas térmicas

Questão 1 — (Enem) No Brasil, o sistema de transporte depende do uso de combustíveis fósseis e de biomassa, cuja energia é convertida em movimento de veículos. Para esses combustíveis, a transformação de energia química em energia mecânica acontece:

a) na combustão, que gera gases quentes para mover os pistões no motor

b) nos eixos, que transferem torque às rodas e impulsionam o veículo

c) na ignição, quando a energia elétrica é convertida em trabalho

d) na exaustão, quando gases quentes são expelidos para trás

e) na carburação, com a difusão do combustível no ar

Resolução:

A energia obtida pelos motores de combustão interna vem da queima de combustíveis fósseis. Junto à combustão, há uma grande expansão do volume de gás no interior dos pistões, gerando movimento. Portanto, a alternativa correta é a letra A.

Questão 2 — (AFA) Com relação às máquinas térmicas e a Segunda Lei da Termodinâmica, analise as proposições a seguir.

I. Máquinas térmicas são dispositivos usados para converter energia mecânica em energia térmica com consequente realização de trabalho.

II. O enunciado da Segunda Lei da Termodinâmica, proposto por Clausius, afirma que o calor não passa espontaneamente de um corpo frio para um corpo mais quente, a não ser forçado por um agente externo, como é o caso do refrigerador.

III. É possível construir uma máquina térmica que, operando em transformações cíclicas, tenha como único efeito transformar completamente em trabalho a energia térmica de uma fonte quente.

IV. Nenhuma máquina térmica operando entre duas temperaturas fixadas pode ter rendimento maior que a máquina ideal de Carnot, operando entre essas mesmas temperaturas.

São corretas apenas:

a) I e II

b) II e III

c) I, III e IV

d) II e IV

Resolução:

Vamos analisar as alternativas:

I – FALSA. Máquinas térmicas são dispositivos que transformam energia térmica em energia mecânica, realizando trabalho durante esse processo.

II – VERDADEIRA.

III – FALSA. De acordo com a segunda lei da Termodinâmica, nenhuma máquina térmica que opere em ciclos é capaz de retirar calor de uma fonte e transformá-lo integralmente em trabalho.

IV – VERDADEIRA.

Com base nas análises acima, a resposta correta é a letra D.

Data Nome do Aluno C A D E R N O N0701 Turma Nome da Escola CIÊNCIAS DA NATUREZA 7º ano do Ensino Fundamental 1º BIMESTRE 2021 AVALIAÇÃO DA APRENDIZAGEM EM PROCESSO - INTERMEDIÁRIA UTILIZE O LEITOR RESPOSTA ABAIXO DESSA LINHA ENQUADRANDO A CÂMERA APENAS NAS BOLINHAS A B C D 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 BL01N07 01) (F070036I7) Observe a parte de um macaco hidráulico indicada pela seta na imagem abaixo. Disponível em: <https://bit.ly/387FyIf>. Acesso em: 3 nov. 2020. Adaptado para fins didáticos. Essa parte do macaco hidráulico indicada pela seta é um tipo de máquina simples conhecida como A) alavanca. B) cunha. C) parafuso. D) roldana. 02) (F070044I7) Observe a imagem abaixo. Disponível em: <https://bit.ly/2ZP9S5d>. Acesso em: 12 fev. 2021. Adaptado para fins didáticos. Nessa imagem, qual é o processo de transferência de calor que ocorre através da agulha? A) Sublimação. B) Dilatação. C) Convecção. D) Condução. 03) (N070134G5) Paula observou que os materiais utilizados no seu dia a dia têm uma composição diferente. Por isso, ela decidiu pesquisar de que são feitos esses materiais e percebeu que alguns são produzidos artificialmente, enquanto outros são formados por elementos naturais. Por exemplo, sua aliança de casamento é de ouro, sua escova de dente é feita com fios de nylon, o tecido do seu casaco é de algodão e a mesa de jantar de sua casa é feita de madeira. Qual desses materiais é sintético? A) Anel de ouro. B) Casaco de algodão. C) Fios de nylon. D) Mesa de madeira. N0701 1 BL01N07 04) (Q090157I7) Observe, na imagem abaixo, o acompanhamento da transformação química de uma fatia de pão após ser deixada na torradeira em três intervalos de tempo. Disponível em: <https://bit.ly/2La5kCv>. Acesso em: 2 fev. 2021. Adaptado para fins didáticos. Qual evidência permite identificar que fatia de pão passou por uma transformação química no tempo de 2 minutos? A) Liberação de luz. B) Formação de um sólido. C) Desprendimento de um gás. D) Alteração da coloração. 05) (F070037I7) Uma maneira de esfriar o café quente em uma xícara é adicionar um pouco de leite frio a ele. Quando esses líquidos se misturam, o café quente transfere energia térmica para o leite, até que os dois atinjam a mesma temperatura. Essa transferência de energia acontece por meio A) da realização de trabalho. B) da troca de calor. C) do aumento de volume. D) do movimento de partículas. N0701 2 BL02N07 06) (F090088I7) Observe, na imagem abaixo, o equipamento utilizado por uma criança para suspender uma caixa. s Disponível em: <https://bit.ly/3lq2UNF>. Acesso em: 25 ago. 2020. No equipamento apresentado nessa imagem, a máquina simples que facilita a tarefa realizada pela criança é conhecida como A) alavanca. B) engrenagem. C) roldana. D) rosca. 07) (Q080042I7) Leia o texto abaixo. Eles são desenvolvidos para aliviar sintomas e curar doenças. Depois que cumprem a sua função, no entanto, os remédios podem se transformar em um transtorno. Os vidros de xarope, as cartelas de comprimidos e as bisnagas de pomadas dificilmente são usadas por completo. E aí começa o dilema: como descartá-los quando já estão vencidos? Por falta de alternativa ou desconhecimento, o brasileiro; que ainda não perdeu o hábito de se automedicar e armazena em casa uma verdadeira farmácia; costuma jogá-los no [...] vaso sanitário. O problema é que as substâncias químicas desses compostos não desaparecem como num passe de mágica e podem ser verdadeiros vilões da saúde de toda a população. [...] Disponível em: <https://bit.ly/3qDQvYE>. Acesso em: 18 fev. 2021. Fragmento. Uma consequência do descarte inadequado mencionado nesse texto é A) a contaminação dos rios. B) a proliferação de vírus na água. C) o aquecimento da água. D) o assoreamento dos rios. 08) (F070042I7) Durante a Primeira Revolução Industrial, um tipo de equipamento revolucionou os meios de produção da época. Esse equipamento era capaz de aproveitar de maneira eficiente a energia térmica liberada na queima do carvão para gerar movimento. Esse equipamento revolucionário recebeu o nome de A) alavanca. B) engrenagem. C) máquina a vapor. D) máquina elétrica. N0701 3 BL02N07 09) (F070021I7) A imagem abaixo representa o que acontece enquanto uma pessoa está segurando uma lata de suco. Disponível em: <https://bit.ly/2NJbOpI>. Acesso em: 30 jun. 2020. Adaptado para fins didáticos. A seta em destaque nessa imagem indica que através da lata ocorre uma transferência de A) calor. B) líquido. C) massa. D) temperatura. 10) (Q060078I7) Observe os objetos nas imagens abaixo. Qual desses objetos apresenta origem sintética? A) 1. B) 2. C) 3. D) 4. N0701 4 BL03N07 11) (Q070052I7) Leia no texto abaixo sobre o tratamento de pessoas que vivem com o vírus da imunodeficiência humana (HIV). Os primeiros medicamentos antirretrovirais (ARV) surgiram na década de 1980. Eles agem inibindo a multiplicação do HIV no organismo e, consequentemente, evitam o enfraquecimento do sistema imunológico. O desenvolvimento e a evolução dos antirretrovirais para tratar o HIV transformaram o que antes era uma infecção quase sempre fatal em uma condição crônica controlável, apesar de ainda não haver cura. [...] Disponível em: <https://bit.ly/3aoQXTz>. Acesso em: 2 fev. 2020. Fragmento. Com base nesse texto, aderir ao tratamento é um benefício para pessoas que vivem com o vírus, pois A) aumenta a qualidade de vida. B) elimina a carga viral no organismo. C) previne outras infecções sexualmente transmissíveis. D) protege o organismo de doenças autoimunes. 12) (F090055I7) Observe na imagem abaixo o processo de cozimento de um alimento dentro de um forno. Disponível em: <https://bit.ly/2ZOB991>. Acesso em: 29 maio 2020. Adaptado para fins didáticos. As setas nessa imagem representam o processo de transferência de calor por A) liquefação. B) ebulição. C) convecção. D) condução. 13) (Q070056I7) Observe na imagem abaixo o processo de transformação do milho até virar pipoca durante um aquecimento. Disponível em: <https://bit.ly/3d5WW2t>. Acesso em: 12 fev. 2021. A transformação apresentada nessa imagem é irreversível, pois a pipoca estourada A) deixa de ser milho. B) perde sua coloração amarelada. C) tem seu volume alterado. D) tem sua composição melhorada. N0701 5 BL03N07 14) (F070038I7) A invenção do motor de combustão interna foi a grande responsável pelo desenvolvimento da indústria automobilística. A vantagem desse novo tipo de motor é que ele é bem menor que os modelos anteriores. Isso permitiu que ele fosse instalado em máquinas de tamanho reduzido, como os automóveis. Nesse novo tipo de motor, o calor é obtido a partir de uma A) expansão de volume. B) força mecânica. C) mudança de estado. D) reação química. 15) (F090004H6) Observe as imagens abaixo. 1 Disponível em: <https://bit.ly/2VoW4NX>. Acesso em: 19 fev. 2019. 2 Disponível em: <https://bit.ly/2GHPaeF>. Acesso em: 19 fev. 2019. 3 Disponível em: <https://bit.ly/2KZs1ID>. Acesso em: 19 fev. 2019. 4 Disponível em: <https://bit.ly/2IX9RES>. Acesso em: 19 fev. 2019. Quais dessas imagens representam máquinas que facilitam a realização de trabalho mecânico? A) 1 e 2. B) 1, 2 e 3. C) 2 e 4. D) 2, 3 e 4. N0701 6 BL04N07 16) (N090139G5) Muitos agricultores limpam o terreno para a plantação fazendo o uso de queimadas. No entanto, as queimadas trazem sérias consequências para o ambiente, interferindo nas cadeias alimentares. Uma dessas consequências é A) a proliferação de animais carnívoros. B) a redução da quantidade de CO2 no ar. C) o aumento da biodiversidade. D) o empobrecimento do solo. 17) (B050055I7) Leia o texto abaixo. Disponível em: <https://bit.ly/3a79rG2>. Acesso em: 13 abr. 2020. Adaptado para fins didáticos. O movimento explicado nesse texto leva à ocorrência A) das estações do ano. B) das fases da Lua. C) dos dias e noites.