Banco de questões: Termodinâmica: Máquinas Térmicas

Uma máquina térmica opera em ciclos e tem como fonte quente uma caldeira cuja temperatura é de 400°C. A fonte fria é composta por um rio local, cuja temperatura é de 20°C. Um estudante propõe um ciclo de Carnot para essa máquina. Qual é o rendimento máximo teórico que a máquina do estudante pode atingir? Considere a constante de Stefan-Boltzmann como 5,67 x 10^-8 W m^-2 K^-4 e que a emissividade da caldeira é 1, assumindo que a caldeira se comporta como um corpo negro. Despreze as perdas de energia por atrito e condução durante a operação da máquina.

O rendimento de uma máquina térmica é a relação entre a quantidade de trabalho mecânico obtido e a quantidade de energia térmica fornecida. Uma das principais formas de calcular o rendimento é usando a lei da conservação da energia, que diz que a energia total do sistema permanece constante, mas pode ser transformada de uma forma para outra. Qual das seguintes afirmações está correta?

O ciclo termodinâmico é formado por quatro processos: aquecimento, expansão, resfriamento e compressão. Estes processos se relacionam diretamente com o funcionamento das máquinas térmicas, pois transformam calor em trabalho mecânico e vice-versa. Quando se tem o aquecimento do sistema com o objetivo de produzir trabalho mecânico, qual dos processos segue para que ocorra tal produção?

Uma fábrica utiliza uma máquina térmica para converter energia térmica em trabalho mecânico, operando entre uma fonte de calor a 500 K e um reservatório a 300 K. Se a máquina funciona de forma ideal segundo o ciclo de Carnot e absorve 1500 J de calor da fonte quente, determine a eficiência do ciclo e o trabalho realizado pela máquina.

Uma fábrica opera uma máquina térmica que recebe 3.000 J de calor de uma fonte quente a 500 K e realiza um trabalho de 500 J a cada ciclo. O restante do calor é transferido para uma fonte fria a temperatura T. Considerando que a máquina opera no ciclo de Carnot, determine a eficiência do ciclo e a temperatura da fonte fria para que a máquina opere com esse rendimento. Em seguida, justifique, com base no segundo princípio da termodinâmica, se é possível ou não que a máquina atinja esse rendimento com a fonte fria a essa temperatura.