Um canhão lança um projétil de massa igual a 1225 kg com velocidade de 762 m/s. O projétil é propelido por
uma massa de pólvora de 300 kg, sabe-se que 1 g de pólvora queima produzindo 1500 cal. Pergunta-se qual o
rendimento deste canhão considerado como uma máquina térmica? Adote 1 cal = 4,2 J.
Dado do problema:
- Massa da bala (projétil): mb = 1225 kg;
- Velocidade do projétil: v = 762 m/s;
- Massa de pólvora: mp = 300 kg;
- Calor produzido pela queima da pólvora: q = 1500 cal/g.
Esquema do problema:
A massa de pólvora (mp quando é detonada produz uma quantidade de calor Q, esta
energia produzida realiza um trabalho W sobre a bala de massa mb. Este trabalho
será a energia cinética Ec que a bala adquire sendo disparada com velocidade v
(Figura 1).
Solução:
Em primeiro lugar devemos converter a quantidade de calor produzida pela queima da pólvora de calorias por
grama (cal/g) para joules por quilogramas (J/kg)
\[
\begin{gather}
q=1500\;\frac{\mathrm{\cancel{cal}}}{\mathrm{\cancel g}}\times\frac{4,2\;\mathrm J}{1\;\mathrm{\cancel{cal}}}\times\frac{1000\;\mathrm{\cancel g}}{1\;\mathrm{kg}}=6300000\;\frac{\mathrm J}{\mathrm{kg}}=6,3.10^6\;\frac{\mathrm J}{\mathrm{kg}}
\end{gather}
\]
A energia total produzida pela detonação da pólvora será de
\[
\begin{gather}
Q=m_bq \\[5pt]
Q=300\times 6,3\times 10^6 \\[5pt]
Q=3\times 10^2\times 6,3\times 10^6 \\[5pt]
Q=18,9\times 10^2\times 10^6 \\[5pt]
Q\approx 1,9\times 10^9\;\mathrm J \tag{I}
\end{gather}
\]
A energia cinética é dada por
\[
\begin{gather}
\bbox[#99CCFF,10px]
{E_c=\frac{m v^2}{2}}
\end{gather}
\]
para a energia adquirida pelo projétil
\[
\begin{gather}
E_c=\frac{m_p v^2}{2} \\[5pt]
E_c=\frac{1225\times 762^2}{2} \\[5pt]
E_c=\frac{1225\times 580664}{2} \\[5pt]
E_c=\frac{711288900}{2} \\[5pt]
E_c=355644450 \\[5pt]
E_c\approx 3,6\times 10^8\;\mathrm J \tag{II}
\end{gather}
\]
O rendimento é dado por
\[
\begin{gather}
\bbox[#99CCFF,10px]
{\eta=\frac{W}{Q}}
\end{gather}
\]
Como o trabalho realizado é igual à energia cinética W = Ec o rendimento será de
\[
\begin{gather}
\eta=\frac{3,6\times 10^8}{1,9\times 10^9} \\[5pt]
\eta=\frac{3,6\times 10^8}{1,9\times 10^9} \\[5pt]
\eta= 1,89\times 10^8\times 10^{-9} \\[5pt]
\eta= 1,89\times 10^{-1} \\[5pt]
\eta= 0,189=\frac{18,9}{100}
\end{gather}
\]
\[
\begin{gather}
\bbox[#FFCCCC,10px]
{\eta\approx 18,9\;\mathrm{%}}
\end{gather}
\]