Descreva o que em cada etapa, em termos de trabalho, calor e variação de energia interna. Indique no diagrama
as etapas em que há entrada e saída de calor. Façam uma tabela para representar o sinal de cada uma destas três grandezas, nas quatro etapas do ciclo.
Passo 1
Beleza, vamos começar resumindo o que a questão está pedindo. A gente precisa analisar um ciclo termodinâmico dividido em quatro etapas e descrever, em cada uma delas, como ocorrem o trabalho (W), o calor (Q) e a variação da energia interna (ΔU). Além disso, temos que indicar no diagrama pressão-volume (
) onde entra e sai calor e fazer uma tabela mostrando o sinal (positivo ou negativo) de cada grandeza em cada etapa. Para isso, vamos usar os conceitos de termodinâmica básica, como as leis da termodinâmica e os processos termodinâmicos (isotérmico, adiabático, etc.).
Passo 2
Primeiro, vamos identificar as quatro etapas do ciclo no diagrama
. Supondo que seja um ciclo padrão, teremos duas etapas de expansão e duas de compressão, que podem ser processos isobáricos, isocóricos, isotermais ou adiabáticos. Para cada etapa, vamos analisar se há trabalho feito pelo sistema ou sobre o sistema, se há calor entrando ou saindo, e como isso afeta a energia interna.
Passo 3
Vamos lembrar que:
- Trabalho (W): Quando o sistema se expande (volume aumenta), ele realiza trabalho sobre o ambiente, então W é positivo. Quando o sistema é comprimido (volume diminui), o trabalho é feito sobre ele, então W é negativo.
- Calor (Q): Se o calor entra no sistema, Q é positivo. Se o calor sai do sistema, Q é negativo.
- Variação da Energia Interna (ΔU): Pela primeira lei da termodinâmica, ΔU = Q - W. Se ΔU é positivo, a energia interna aumenta; se é negativo, diminui.
Passo 4
Agora, vamos analisar cada etapa do ciclo:
-
Etapa 1 → 2 (Expansão):
- Trabalho (W): O sistema se expande, então W é positivo.
- Calor (Q): Se o sistema está recebendo calor, Q é positivo.
- ΔU: Depende da quantidade de Q e W. Geralmente, em uma expansão isotérmica, ΔU = 0.
-
Etapa 2 → 3 (Compressão):
- Trabalho (W): O sistema é comprimido, então W é negativo.
- Calor (Q): Se o sistema está liberando calor, Q é negativo.
- ΔU: Pode variar conforme Q e W. Em uma compressão isotérmica, ΔU = 0.
-
Etapa 3 → 4 (Expansão):
- Trabalho (W): O sistema se expande novamente, W é positivo.
- Calor (Q): Se há entrada de calor, Q é positivo.
- ΔU: Depende de Q e W.
-
Etapa 4 → 1 (Compressão):
- Trabalho (W): Compressão, então W é negativo.
- Calor (Q): Se há saída de calor, Q é negativo.
- ΔU: Varia conforme Q e W.
Passo 5
Vamos representar no diagrama
onde ocorre a entrada e saída de calor:
- Entrada de Calor: Nas etapas de expansão onde Q é positivo (1 → 2 e 3 → 4).
- Saída de Calor: Nas etapas de compressão onde Q é negativo (2 → 3 e 4 → 1).
Passo 6
Agora, vamos montar a tabela com os sinais de W, Q e ΔU para cada etapa:
Etapa | Trabalho (W) | Calor (Q) | Variação de Energia Interna (ΔU) |
---|---|---|---|
1 → 2 | Positivo | Positivo | Depende de Q e W |
2 → 3 | Negativo | Negativo | Depende de Q e W |
3 → 4 | Positivo | Positivo | Depende de Q e W |
4 → 1 | Negativo | Negativo | Depende de Q e W |
Resposta
Analisamos cada etapa do ciclo termodinâmico, identificando os sinais de trabalho, calor e variação de energia interna. No diagrama
, a entrada de calor ocorre nas expansões (1 → 2 e 3 → 4) e a saída de calor nas compressões (2 → 3 e 4 → 1). A tabela acima resume os sinais dessas grandezas em cada uma das quatro etapas do ciclo.