UNICAMP 2009 (2ª fase) — questão 6 de Física

Enunciado em texto

O aperfeiçoamento da máquina a vapor ao longo do século XVIII, que atingiu o ápice com o trabalho de James Watt, permitiu a mecanização do modo de produção, desempenhando papel decisivo na revolução industrial. A figura abaixo mostra o diagrama de pressão P versus volume V do cilindro de uma máquina a vapor contendo 1,0 mol de água. Os diferentes trechos do gráfico referem-se a:

1 → 2: água líquida é bombeada até a pressão $P_2$;

2 → 3: a temperatura da água é aumentada pela caldeira a pressão constante;

3 → 4: a água é vaporizada a pressão e temperatura constantes ($T_3 = 400\ \text{K}$);

4 → 5: o vapor é aquecido a pressão constante, expandindo de $V_4$ a $V_5$;

5 → 6: o vapor sofre expansão sem troca de calor, fazendo com que a temperatura e a pressão sejam reduzidas;

6 → 1: o vapor é condensado com a retirada de calor do cilindro a pressão constante.

a) No ponto 5 o vapor d’água se comporta como um gás ideal. Encontre a temperatura do vapor neste ponto. A constante universal dos gases é R = 8,3 J / mol K.

b) Calcule o trabalho realizado pelo vapor d’água no trecho de 4 → 5.

(Gráfico: P ($10^5$ Pa) no eixo vertical e V (ℓ) no horizontal. O ciclo 1 → 2 → 3 → 4 → 5 → 6 → 1: de 1 sobe na vertical até 2; de 2 vai na horizontal, à pressão 5,0, passando por 3 e 4, até 5; de 5 desce em curva até 6; de 6 volta na horizontal, a uma pressão menor, até 1. Linhas tracejadas verticais marcam $V_4 = 6{,}8$ ℓ e $V_5 = 8{,}3$ ℓ. Curvas tracejadas separam as regiões “líquido”, “líquido + vapor” e “vapor”.)

(Enunciado e figura: Vestibular Unicamp 2009, 2ª fase — Comvest/Unicamp.)

Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à UNICAMP.