Exercícios Resolvidos de Termodinâmica e Física

1. Cálculo de Trabalho em Cilindro de Combustão

Em um cilindro de combustão, a variação de energia interna total produzida pela queima de um combustível é -2573 kJ. O sistema de resfriamento que circunda o cilindro absorve 800 J (0,8 kJ) como calor. Quanto trabalho pode ser realizado pelo combustível no cilindro durante este processo?

• ΔU = Q + W
• -2573 = -0,8 + W
• W = -2572,2 kJ

2. Variação de Energia de um Sistema

Sobre um sistema realiza-se um trabalho de 3000 J e, em consequência, ele fornece 500 cal ao meio externo. Se 1 cal = 4,2 J, determine a variação de energia do sistema:

• Q = -500 × 4,2 = -2100 J
• ΔU = Q + W
• ΔU = -2100 + 3000 = 900 J

3. Aquecimento de uma Barra de Ouro

Uma barra de 250 g de ouro a -8 °C recebeu 3714 J de calor à pressão constante. Qual a temperatura atingida, sabendo que a capacidade calorífica molar do ouro é Cp = 25,4 J·K⁻¹·mol⁻¹? (Massa molar do ouro = 197 g/mol).

• n = 250 / 197 ≈ 1,269 mol
• C = Cp × n = 25,4 × 1,269 ≈ 32,23 J/K
• ΔT = Q / C = 3714 / 32,23 ≈ 115,23 K
• Tf = Ti + ΔT = 265 K + 115,23 K = 380,23 K

4. Equilíbrio Térmico: Barra de Cobre

Uma barra de cobre de 300 g é retirada de um forno e colocada em um recipiente (46 cal/°C) com 500 g de água a 22 °C. A temperatura final é 27 °C. Qual a temperatura do forno? (Ccobre = 0,03 cal/g°C).

• Q_cu = 300 × 0,03 × (27 - Ti) = 9(27 - Ti)
• Q_rec = 46 × (27 - 22) = 230 cal
• Q_água = 500 × 1 × (27 - 22) = 2500 cal
• 9(27 - Ti) + 230 + 2500 = 0 → Ti ≈ 330,4 °C

5. Trabalho da Força de Atrito (Simulação PHET)

Um livro de massa m = 15 kg está em uma rampa. Na simulação II, com inclinação de 23°, o livro desliza e para. Calcule o trabalho realizado pela força de atrito:

• W_fat = Em_final - Em_inicial
• Em_inicial = m × g × h = 15 × 10 × (10 × sen 23°) ≈ 586 J
• W_fat = 0 - 586 = -586 J