P1 de Física 2 da UFRJ - 2015.1

Qual das seguintes considerações está INCORRETA?

1. A segunda lei é uma lei empírica que mostra que certas coisas nunca acontecem. Portanto aceitamos em nosso formalismo que estas coisas são impossíveis.
2. A interpretação probabilística da segunda lei nos diz que certos eventos são tão improváveis que desprezamos a probabilidade de que eles aconteçam.
3. A entropia de qualquer sistema sempre aumenta com o tempo.
4. A partir de processos irreversíveis em sistemas isolados, determinamos o sentido da flecha do tempo.

Dois tanques abertos estão cheios de um mesmo fluido de densidade constante, como ilustrado na figura. Um tubo horizontal tem uma extremidade conectada ao fundo do primeiro tanque e outra extremidade aberta, de modo que o fluido pode escoar para fora do tanque. O tubo possui um estrangulamento () onde a área da seção reta é a metade da área nas extremidades ( e ). Conectamos com um tubo em U o estrangulamento ao segundo tanque, de modo que a extremidade do tubo fica imersa no fluido. Com isso uma coluna de fluido preenche o tubo até uma a altura , após atingido o equilíbrio. Considere que a densidade do ar entre os pontos e é suficientemente pequena para desprezarmos variações de pressão com a altura. Considere também que as áreas das superfícies de fluido nos dois tanques são muito maiores que as das seções retas do tubo horizontal, que o escoamento do fluido através do mesmo é estacionário e que a aceleração da gravidade e a pressão atmosférica são constantes e conhecidas em todos os pontos da figura.

1. Calcule a velocidade de escoamento do fluido no ponto indicado na figura.
2. Calcule a velocidade do escoamento no ponto .
3. Calcule a pressão manométrica (diferença entre a pressão absoluta e a pressão atmosférica) no ponto .
4. Calcule a altura da coluna de fluido em termos da altura .

A densidade de massa da atmosfera decresce com a altura a partir do nível do mar. A pressão e a densidade de massa da atmosfera no nível do mar são dadas por e , respectivamente. Considere que a aceleração da gravidade é constante e conhecida. Supondo que a temperatura é constante e a atmosfera pode ser considerada um gás ideal, a pressão na altura é dada por , onde é

O oxigênio () se liquefaz a uma temperatura de . Suponhamos que Kelvin, sem se preocupar com problemas práticos de compatibilidade de sua escala com a já largamente utilizada escala Celsius, tivesse definido o ponto triplo da água () como , mas mantido a menor temperatura possível de ser medida () como . A temperatura de liquefação do oxigênio nesta nova escala seria:

Em uma máquina de Stirling idealizada o fluido de trabalho (considerado um gás ideal) realiza as seguintes etapas reversíveis:

: Uma expansão isotérmica do volume ao volume à temperatura .: Um resfriamento a volume constante, atingindo a temperatura .: Uma compressão isotérmica à temperatura , reduzindo o volume de a : Um aquecimento a volume constante, de forma que o gás retorne ao seu estado inicial.

Expresse suas respostas em termos de , , e , da constante dos gases , do calor específico molar a volume constante e do número de moles do fluido.

1. Esquematize o diagrama PV para este ciclo.
2. Calcule o trabalho realizado em cada etapa deste ciclo.
3. Calcule o calor transferido em cada etapa deste ciclo.
4. Calcule a variação da entropia em cada etapa deste ciclo.
5. Calcule a razão entre o trabalho total realizado no ciclo e o calor absorbido da fonte a temperatura e compare o resultado com a eficiência de um ciclo de Carnot operando entre as temperaturas e .

Um balão de hélio que flutua na atmosfera, carregando um pequeno peso, sobe a velocidade constante. Levando em conta que a densidade do ar decresce com a altitude e desprezando qualquer força de resistência do ar, podemos afirmar que:

1. O volume do balão aumenta e o empuxo sobre o balão aumenta.
2. O volume do balão não se altera e o empuxo diminui.
3. O volume do balão diminui, assim como o empuxo.
4. O volume do balão aumenta, mas o empuxo não se altera.
5. Tanto o volume do balão quanto o empuxo permanecem constantes.

A respeito de máquinas térmicas e refrigeradores assinale a alternativa INCORRETA.

1. Em um refrigerador sempre se joga mais calor na fonte quente do que se retirou da fria.
2. Um refrigerador perfeito (no qual o trabalho realizado é zero) pode ser pensado como uma máquina perfeita (para a qual a eficiência é de ) operando reversamente.
3. Pela segunda lei da termodinâmica podemos afirmar que não existem nem refrigeradores perfeitos nem máquinas perfeitas.
4. Quanto maior a diferença entre as temperaturas da fonte fria e da fonte quente tanto maior é a eficiência que uma máquina térmica pode ter.

Marque a alternativa que mostra a desigualdade correta para o ciclo mostrado na figura. Os valores e representam os MÓDULOS dos calores trocados pelo ciclo com cada reservatório térmico.

Em um tubo em U, com ambas as extremidades abertas para a atmosfera, coloca-se cuidadosamente três líquidos de densidades diferentes , e , de forma que estes não se misturam. Após o equilíbrio ser atingido, a disposição dos líquidos é a ilustrada na figura. A relação entre as densidades dos líquidos 1 e 3 é:

Na figura abaixo está ilustrada uma máquina de fazer café. Com a torneira fechada o nível de café no tubo mais fino é igual ao nível de café no tanque principal. Este nível é indicado por na figura. Ao abrirmos a torneira qual ponto melhor representará o nível de café no tubo mais fino? Considere o café um fluido incompressível, sem viscosidade e suponha o escoamento estacionário. Despreze ainda a variação de altura do café no tanque principal.

4. Pode ser ou , dependendo da densidade do café.
5. Pode ser ou , dependendo da vazão do escoamento.