Termodinâmica

Potencialize as suas aulas de Física com esta excelente Atividade sobre Termodinâmica, desenvolvida especialmente para as turmas do 2º Ano do Ensino Médio. O material em PDF traz questões desafiadoras e práticas focadas nas leis da termodinâmica, transformações gasosas, trabalho e máquinas térmicas. Para facilitar ao máximo a rotina do professor, a folha de exercícios é acompanhada de um gabarito completo com a resolução passo a passo de cada questão no final da página. Baixe agora e leve um material de alta qualidade para a sua sala de aula!

Um cilindro metálico robusto contendo gás, fechado com um êmbolo (tampa) firmemente travado, impedindo qualquer movimento (transformação isocórica/isovolumétrica). Uma chama aquece o fundo do cilindro, fornecendo uma quantidade de calor $Q = 400 \, J$ ao gás confinado.

Compreendendo a trava mecânica no recipiente:
a) Qual é o valor matemático do trabalho ($\tau$) realizado pelo gás?

b) Aplique a Primeira Lei da Termodinâmica para calcular a variação da energia interna ($\Delta U$).

O esquema clássico de uma Máquina Térmica operando em ciclo. Um bloco superior indica "Fonte Quente" cedendo $Q_q = 2000 \, J$. Uma seta aponta para o motor circular no centro. Do motor, sai uma seta para a direita indicando "Trabalho" ($\tau$) e outra seta para baixo apontando para a "Fonte Fria" rejeitando $Q_f = 1500 \, J$.
Baseando-se no esquema de fluxos de energia:

a) Calcule o valor numérico do trabalho ($\tau$) útil realizado por ciclo.

b) Calcule o rendimento termodinâmico ($\eta$) dessa máquina.

Um gráfico cartesiano relacionando Pressão ($p$, em $N/m^2$) no eixo vertical e Volume ($V$, em $m^3$) no eixo horizontal. A transformação é um segmento de reta horizontal contínuo mostrando uma expansão isobárica sob pressão $p = 100 \, N/m^2$, partindo do volume $V_1 = 2 \, m^3$ até o volume $V_2 = 5 \, m^3$.A partir da análise visual e dos dados do gráfico:

a) Calcule o trabalho ($\tau$) realizado pelo gás durante a expansão.

b) Sabendo que durante esse processo o gás absorveu uma quantidade de calor $Q = 800 \, J$, calcule a variação da energia interna ($\Delta U$).

Analise as afirmações abaixo sobre as Leis da Termodinâmica e o comportamento dos gases ideais, marcando (V) para verdadeiro ou (F) para falso:

( ) A energia interna de um gás ideal depende exclusivamente de sua temperatura; se a temperatura não varia, a variação da energia interna é zero ($\Delta U = 0$).
( ) Na transformação isotérmica, todo o calor absorvido pelo gás é integralmente convertido em trabalho útil.
( ) A Segunda Lei da Termodinâmica afirma que é perfeitamente possível construir uma máquina térmica operando em ciclos com 100% de rendimento.
( ) Durante uma compressão gasosa, o volume do gás diminui, o que significa que o trabalho ($\tau$) realizado pelo gás é positivo.
( ) Em uma transformação isocórica (isovolumétrica), o gás não sofre variação de volume, logo, não realiza e nem sofre trabalho mecânico.

Assinale a alternativa que apresenta a sequência correta:

A) V - V - F - F - V

B) V - V - F - V - F

C) F - F - V - V - F

D) V - F - F - V - V

Relacionar ColunasRelacione a primeira coluna com as transformações e as leis termodinâmicas correspondentes na segunda coluna:
(1) Transformação Isotérmica
(2) Transformação Adiabática
(3) Primeira Lei da Termodinâmica
(4) Segunda Lei da Termodinâmica
(5) Transformação Isobárica

( ) Ocorre rapidamente ou em um recipiente isolado, sem que haja troca de calor com o meio externo ($Q = 0$).
( ) Princípio de conservação da energia que relaciona calor trocado, trabalho e energia interna.
( ) Transformação gasosa que ocorre mantendo a pressão do gás constante.
( ) Estabelece que o calor flui de forma espontânea apenas do corpo mais quente para o mais frio.
( ) Transformação na qual a temperatura permanece inalterada e a energia interna não varia.

A sequência correta de preenchimento é:

A) 3 - 5 - 1 - 2 - 4

B) 2 - 4 - 5 - 1 - 3

C) 4 - 3 - 1 - 5 - 2

D) 2 - 3 - 5 - 4 - 1

Certa quantidade de gás ideal é aquecida, sofrendo uma expansão sob uma pressão rigorosamente constante de

2 \cdot 10^5 \, N/m^2

. O volume do gás passa de

0,1 \, m^3

para

0,3 \, m^3

. Qual foi o trabalho mecânico realizado pelo gás ao empurrar as paredes do recipiente?

A) $10.000 \, J$

B) $20.000 \, J$

C) $40.000 \, J$

D) $80.000 \, J$

Durante um processo industrial, uma câmara de gás absorve

1200 \, J

de energia térmica de um queimador e, em seguida, utiliza essa energia para expandir e realizar um trabalho equivalente a

400 \, J

sobre um pistão. Qual é a variação da energia interna sentida pelas moléculas desse gás?

A) $400 \, J$

B) $800 \, J$

C) $1200 \, J$

D) $1600 \, J$

Um gás perfeito é submetido a uma transformação isotérmica, em que sua temperatura é mantida inalterada do começo ao fim. Ao longo do experimento, constatou-se que o gás empurrou uma válvula, realizando um trabalho de

600 \, J

. Quanta energia na forma de calor (

Q

) o gás precisou receber do ambiente?

A) $0 \, J$

B) $300 \, J$

C) $600 \, J$

D) $1200 \, J$

Uma usina a carvão possui uma turbina (máquina térmica) que a cada ciclo recebe da fornalha (fonte quente) a energia de

5.000 \, J

. A máquina perde parte dessa energia pelo escapamento e converte apenas

1.000 \, J

em trabalho prático girando os geradores. O rendimento percentual dessa turbina é de:

A) $25 \%$

B) $50 \%$

C) $10 \%$

D) $20 \%$

10)

Em um gráfico termodinâmico de Pressão por Volume (

p \times V

), um ciclo térmico completo forma o desenho exato de um retângulo. A base do retângulo repousa no eixo dos volumes, começando em

1 \, m^3

e indo até

4 \, m^3

. A altura do retângulo estende-se da pressão de

100 \, N/m^2

até a pressão de

300 \, N/m^2

. Qual é o módulo do trabalho total realizado no ciclo?

A) $300 \, J$

B) $600 \, J$

C) $900 \, J$

D) $1200 \, J$

Questão 1:

a)
$\tau = 0$

b)
$400 = \Delta U + 0$
$\Delta U = 400$

Questão 2:

a) $\tau = 500$

b) $\eta = 0,25$

Questão 3:

a) $\tau = 300$

b) $\Delta U = 500$

Questão 4: A

Questão 5: D

Questão 6: C

Questão 7: B

Questão 8: C

Questão 9: D

Questão 10: B

Plano de Aula da Atividade

Plano de Aula: Física – Termodinâmica

Séries:

2ª Série do Ensino Médio (Estudo das leis da Termodinâmica, energia interna, trabalho dos gases e eficiência de máquinas térmicas).

Habilidades BNCC:

EM13CNT102: Realizar previsões, avaliar intervenções e/ou construir protótipos de sistemas térmicos que visem à sustentabilidade, fundamentando-se no funcionamento de máquinas térmicas e no ciclo de Carnot.
EM13CNT204: Elaborar explicações, previsões e cálculos a respeito da conservação e dissipação de energia, integrando o Referencial Curricular de Rondônia (RCRO) ao discutir a geração de energia em usinas termelétricas regionais.
EM13CNT301: Construir questões, interpretar modelos físicos (como gráficos de Pressão por Volume e esquemas de fluxo de calor) e justificar conclusões através do equacionamento matemático.

Material de referência física

Objetivos do Conhecimento:

Primeira Lei da Termodinâmica: Compreender o princípio da conservação da energia aplicando a equação matemática ( $Q = \tau + \Delta U$ ).
Trabalho de um Gás: Calcular o trabalho em transformações isobáricas ( $\tau = p \cdot \Delta V$ ) e a partir da área geométrica em gráficos $p \times V$ .
Segunda Lei da Termodinâmica: Entender a irreversibilidade dos processos térmicos, o fluxo de calor da fonte quente para a fonte fria e a impossibilidade de rendimento de 100%.
Máquinas Térmicas e Ciclo de Carnot: Determinar a eficiência ( $\eta$ ) de sistemas termodinâmicos.

Objetivos da Aula:

Extrair dados físicos de representações visuais envolvendo ciclos gasosos e esquemas de troca de calor.
Calcular de forma estruturada a energia interna, o trabalho e a quantidade de calor, mantendo a atenção aos sinais (expansão/compressão, absorção/liberação).
Desenvolver resoluções matemáticas diretas, utilizando notação científica e frações com rigor algébrico.

Produzido por:

Termodinâmica

Atividades pra baixar:

Queda Livre e Lançamento Vertical – Atividade de Física PDF para imprimir

Inércia e Equilíbrio – Primeira Lei de Newton – Atividade Física PDF para Imprimir

Ação e Reação – Terceira Lei de Newton – Atividade PDF imprimir

Dilatação Térmica Sólidos e Líquidos Atividade de Física com Gabarito

Resolução - Questão 1

Resolução - Questão 2

Resolução - Questão 3

Resolução - Questão 6

Resolução - Questão 7

Resolução - Questão 8

Resolução - Questão 9

Resolução - Questão 10

Cleiton Bentes