conceitos e exercícios de física térmica

FÍSICA:
CONCEITOS E EXERCÍCIOS DE
FÍSICA TÉRMICA
1
SOBRE
Apanhado de exercícios sobre física térmica selecionados por segrev. O objetivo
é que com esses exercícios você esteja preparado para a prova, mas não use-os
como única fonte de estudo. O material acompanha respostas e resoluções de
alguns problemas. Qualquer dúvida pode ser postada no blog, mas o ideal é que
você tente fazer os exercícios sozinho por um tempo e depois veja a resolução
no final do material ou peça ajuda no blog. Os exercícios não estão ordenados e
nem foram escolhidos por critério, a não ser tratar do assunto física térmica.
Portanto, a lista pode conter exercícios fáceis e difíceis em ordem aleatória.
FORMULÁRIO
Tc Tf − 32
Tk − 273
=
=
5
9
5
∆Tc = ∆Tk
∆Tf = 1,8 ∆Tc
Q=
Φ =
K. A. ∆T. t
L
k. A. ∆T
𝑄
=
𝑡
L
CONCEITOS
Temperatura: medida da energia cinética média das partículas em uma
substancia.
Energia interna: soma de todas as energias moleculares: cinética
(movimento das partículas de um corpo) e potencial (energia de ligação).
Calor: energia transmitida entre corpos devido a diferença de temperatura,
fluindo de um corpo a uma temperatura mais alta para outro a uma
temperatura mais baixa.
Zero absoluto: a mais baixa temperatura que uma substância pode alcançar,
ponto em que não há agitação das moléculas, ou seja, possuem sua energia
cinética mínima.
Condução: transferência de energia térmica pelas colisões no interior da
substância. Ocorre principalmente em sólidos e a energia é transferia de
partícula a partícula, dependendo de um meio material para ocorrer.
Convexão: transferência de energia térmica em um fluído (líquido ou gás)
pelo seu movimento, formando uma corrente de convecção. Quando o fluído
se move transporta a energia com ele.
Irradiação: tranferência de energia por meio de ondas eletromagnéticas, não
dependendo de um meio material.
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QUESTÕES / EXERCÍCIOS / PROBLEMAS / O NOME QUE
VOCÊ QUISER
1. Por que um pedaço de metal fica mais quente quando batemos com um
martelo nele?
Porque as partículas do metal ficam mais agitadas.
2. Quando você encosta numa mesa fria, é o calor que se desloca de sua mão
para a mesa ou o frio que se descola da mesa para sua mão? Explique.
O calor que se desloca da mão para a mesa, porque o calor flui de um
corpo a uma temperatura mais alta para outro a uma temperatura mais
baixa
3. Qual a diferença entre temperatura e calor?
Temperatura é a medida da energia cinética de um corpo, enquanto calor
é a transferência dessa energia de um corpo com maior temperatura para
um corpo com menos.
4. Qual a diferença entre calor e energia interna?
Calor é a a energia em trânsito de um corpo para outro, devido a diferença
de temperatura entre eles, enquanto a energia interna é são todas as
energias moleculares desses corpos.
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5. (Mackenzie) Num determinado dia, em São Paulo, a temperatura ambiente
foi igual à de Londres. Sabendo que, nesse dia, a temperatura de Londres foi
50ºF, a temperatura de São Paulo foi:
a) 10ºC.
b) 20ºC.
c) 25ºC.
d) 28ºC.
e) 32ºC.
6. (Mackenzie) A indicação de uma temperatura na escala Fahrenheit excede
em 2 unidades o dobro da correspondente indicação na escala Celsius. Esta
temperatura é:
a) 50ºC.
b) 100ºC.
c) 150ºC.
d) 170ºC.
e) 1300ºC.
7. (Mackenzie) Para medir a temperatura de um certo corpo, utilizou-se um
termômetro graduado na escala Fahrenheit e o valor obtido correspondeu a
4/5 da indicação de um termômetro graduado na escala Celsius, para o
mesmo estado térmico. Se a escala adotada tivesse sido a Kelvin, esta
temperatura seria indicada por:
a) 305 K.
b) 273 K.
c) 241 K.
d) 32 K.
e) 25,6 K.
8. (Mackenzie) Dispõe-se de um termômetro calibrado numa escala arbitrária
que adota -10 ºX para a temperatura 10 ºC e 70 ºX para a temperatura 110 ºC.
Com este termômetro mediu-se a temperatura de uma cidade que registra,
no momento, 77ºF. Determine esta medida em ºX.
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9. (FEI) Dois termômetros, um em escala Celsius e outro em escala Fahrenheit,
medem a temperatura de um mesmo corpo. Ambos apresentam a mesma
leitura. A temperatura do corpo é:
a) -32.
b) -40.
c) Zero.
d) 80.
e) 100.
10. (Vunesp) Um estudante, no laboratório, deveria aquecer uma certa
quantidade de água desde 25°C até 70°C. Depois de iniciada a experiência ele
quebrou o termômetrode escala Celsius e teve de continuá-la com outro de
escala Fahrenheit. Em que posição do novo termômetro ele deve ter parado
o aquecimento? Nota: 0°C e 100°C correspondem, respectivamente, a 32°F e
212°F.
a) 102 °F
b) 38 °F
c) 126 °F
d) 158 °F
e) 182 °F
11. (UNIRIO) O nitrogênio, à pressão de 1,0 atm, se condensa a uma temperatura
de -392 graus numa escala termométrica X. O gráfico representa a
correspondência entre essa escala e a escala K (Kelvin).
Em função dos dados apresentados no gráfico, podemos verificar que a
temperatura de condensação do nitrogênio, em Kelvin, é dada por:
5
a) 56
b) 77
c) 100
d) 200
e) 273
12. (FESP) No texto de uma revista cientifica: “Em Plutão, o planeta mais
afastado do Sol, a temperaturavai a 380 graus abaixo de zero”. O autor,
embora
não
tenha
declarado
qual
a
escala
termométrica
utilizada,certamente se refere, para a temperatura mencionada, à escala:
a) Kelvin
b) Celsius
c) Fahrenheit
d) diferente das anteriores, pois o valor não é compatível com nenhuma das
três escalas citadas.
13. (Mackenzie) A temperatura, cuja indicação na escala Fahrenheit é 5 vezes
maior que a da escala Celsius, é:
a) 50°C.
b) 40°C.
c) 30°C.
d) 20°C.
e) 10°C.
14. (FAAP) O gráfico a seguir representa a correspondência entre uma escala X
e a escala Celsius. Os intervalos de um grau X e de um grau Celsius são
representados nos respectivos eixos, por segmentos de mesmo
comprimento.
6
A expressão que relaciona essas escalas é:
a) tx = (tc + 80)
b) (tc/80) = (tx/100)
c) (tc/100) = (tx/80)
d) tx = (tc - 80)
e) tx = tc
15. (Unisa) Uma panela com água está sendo aquecida num fogão. O calor das
chamas se transmite através da parede do fundo da panela para a água que
está em contato com essa parede e daí para o restante da água. Na ordem
desta descrição, o calor se transmitiu predominantemente por:
a) radiação e convecção.
b) radiação e condução.
c) convecção e radiação.
d) condução e convecção.
e) condução e radiação.
16. (UFES) Para resfriar um líquido, é comum colocar a vasilha que o contém
dentro de um recipiente com gelo. Para que o resfriamento seja mais rápido,
é conveniente que a vasilha seja metálica, em vez de ser de vidro, porque o
metal apresenta, em relação ao vidro, um maior valor de:
a) condutividade térmica
b) calor específico
c) coeficiente de dilatação térmica
d) energia interna
e) calor latente de fusão.
17. (Mackenzie) Uma parede de tijolos e uma janela de vidro de espessura
180mm e 2,5mm, respectivamente, têm suas faces sujeitas à mesma
diferença de temperatura. Sendo as condutibilidades térmicas do tijolo e do
vidro iguais a 0,12 e 1,00 unidades SI, respectivamente, então a razão entre o
fluxo de calor conduzido por unidade de superfície pelo vidro e pelo tijolo é:
a) 200
b) 300
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c) 500
d) 600
e) 800
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RESPOSTAS E EXPLICAÇÕES
EXERCÍCIO 5. Correta: (A).
É dada um temperatura em Fahrenheit (50ºF) e pede-se a equivalente em
Celsius. Basta aplicar a formula:
Tc/5 = (Tf – 32)/9
Tc/5 = 50 - 32
Tc/5 = 18/9
9Tc = 90
Tc = 10ºC
EXERCÍCIO 6. Correta: (C).
Sabe-se que a indicação da temperatura em Fahrenheit é o dobro da
correspondente em Celsius mais duas unidades: I. Tf = 2Tc + 2. Pela fórumla:
II. Tc/5 = (Tf-32)/9. Substituindo Tf de I na fórmula II:
Tc/5 = (2Tc + 2 – 32)/9
9Tc = 10Tc + 10 – 160
-Tc = -150
Tc = 150ºC
EXERCÍCIO 7. Correta: (C).
É semelhante ao exercício anterior, mas com uma conversão a mais. Sabese que a indicação da temperatura em Fahrenheit é 4/5 da indicação em
Celsius: I. Tf = 4/5.Tc. Pela fórmula: II. Tc/5 = (Tf-32)/9. Substituindo Tf de I na
fórmula II:
Tc/5 = (4/5.Tc – 32)/9
9Tc = 5.(4/5.Tc – 32)
9Tc = 4Tc – 160
5Tc = -160
Tc = -32ºC
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Sabendo a temperatura em Celcius (-32ºC), é possível passá-la para a escala
Kelvin, como pede o exercício. Pela fórmula:
Tc = Tk – 273
-32 = Tk – 273
Tk = 241K
EXERCÍCIO 8. Correta: 2ºX.
Primeiro devemos descobrir a temperatura que o termômetro está
marcando, em Celsius, para estabelecer a relação coma a escala arbitrária
X. Sabe-se que, em Fahrenheit, a temperatura é 77ºF, então utilizamos a
fórmula para convertê-la para ºC:
Tc/5 = (Tf – 32)/9
Tc/5 = (77-32)/9
Tc/5 = 45/9
Tc/5 = 5
Tc = 25ºC
Com essa informação, podemos obter a indicação da temperatura na escala
X. X é uma escala arbitrária e a conversão é feita da mesma forma que para
as outras escalas. Porém, para ela, não temos fórmula, pois não a
conhecemos, então é necessário fazer o mesmo procedimento que foi
utilizado para obter as fórmulas de conversão das escalas conhecidas: já que
a temperatura é a mesma, a elevação do líquido no termômetro será a
mesma, mudando apenas os valores das escalas. O enunciado nos dá alguns
valores de referência e são eles que utilizaremos. Se colocarmos as duas
escalas lado a lado, temos:
ºX
ºC
70------------110----------Tx------------25-----x
-10------------10------------
y
10
Construímos, então, uma relação que compara as amplitudes x e y:
x Tx − (−10)
25 − 10
=
=
y 70 − (−10) 110 − 10
Tx + 10
15
=
80
100
10Tx + 100 = 120
10Tx = 20
Tx = 2°X
EXERCÍCIO 9. Correta: (C).
É igual ao exercício resolvido 2 da página 17 do nosso livro. Pede-se a
temperatura na qual a indicação na escala Celsius (Tc) é igual na escala
Fahrenheit (Tf), que chamaremos de X (Tc = Tf = X). Substituindo na
expressão de conversão:
Tc/5 = (Tf -32)/9
X/5 = (X – 32)/9
9X = 5X – 160
4X = -160
X = -40, então -40ºC = -40ºF
EXERCÍCIO 10. Correta: (D).
O enunciado indica que o estudante deveria aquecer a água até 70ºC, porém
a medida da temperatura teve de ser feita com um termômetro na escala
Fahrenheit. O que deve ser feito é simplesmente converter 70º na escala
Celsius para Fahrenheit:
Tc/5 = (Tf – 32)/9
70/5 = (Tf – 32)/9
14 = (Tf – 32)/9
126 = Tf – 32
Tf = 158ºF
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EXERCÍCIO 11. Correta: (B).
Semelhante ao exercício 4. Pelo gráfico, vemos que quando o termômetro
marca 200 na escala X, marca 373 na escala K, e que quando marca 0 na
escala X, marca 273 na escala K:
ºX
K
200-----------373---------Tx-----------Tk-----x
y
0-----------273----------
Relacionando x e y:
Tx − 0
Tk − 273
=
200 − 0 373 − 273
Tk − 273
Tx
=
200
100
Tx = 2Tk − 546
Sabendo que Tx é duas vezes Tk menos 546, podemos descobrir quanto é
-392ºX na escala K:
Tx = 2Tk – 546
-392 = 2Tk – 546
154 = 2Tk
Tk = 77K
EXERCÍCIO 12. Correta: (C).
Não pode ser Kelvin, porque pelo SI não se pode usar ºK e o artigo cita -380
graus, além de que não se pode medir seu valor abaxio de 0 (0K é o zero
absoluto). Não pode ser Celsius, porque -380ºC indica uma temperatura
abaixo do valor do zero absoluto (-273,15ºC), e essa é a mais baixa
temperatura possível para qualquer substância. Pode ser Fahrenheit, pois
12
-380ºF é indicado em Celsius como aproximadamente -228ºC, acima do valor
do zero absoluto, e é uma escala graduada.
EXERCÍCIO 13. Correta: (E).
I. Tc/5 = (Tf - 32)/9
II. Tf = 5Tc
Substituindo I em II:
Tc/5 = (5Tc – 32)/9
9Tc = 25Tc – 160
-16Tc = -160
Tc = 10ºC
EXERCÍCIO 14. Correta: (A).
Quando a indicação da tempetara em X aumenta 10º, a indicação em C
também aumenta 10º, devido ao ângulo de 45º. Sabemos que quando Tx é 80,
Tc é 0. Fica fácil perceber que a temperatura em X é sempre 80º a mais que
em C. Para provar: podemos dizer que quando Tx é 90º, Tc é 10º, pelo que foi
dito acima. Construímos, então, a relação entre as escalas:
ºX
K
90------------10-----------Tx-----------Tc-----x
80-----------0-------------
𝑇𝑥 − 80 𝑇𝑐 − 0
=
90 − 80 10 − 0
𝑇𝑥 − 80 𝑇𝑐
=
10
10
𝑇𝑐 = 𝑇𝑥 − 80
y
13
EXERCÍCIO 15. Correta: (D).
EXERCÍCIO 16. Correta: (A).
EXERCÍCIO 17. Correta: (D).
Pede-se a razão dos fluxos de calor dos materiais. O fluxo de calor é dado
por:
Φ =
k. A. ∆T
𝑄
=
L
𝑡
Nesse exercício, as únicas coisas que variam entre os dois materiais é a
espessua (L) e a condutividade térmica (k). Podemos descartar os valores de
A (área) e ΔT (variação de temperatura):
Φtijolo =
k
L
Φvidro =
1
0,0025
Φtijolo =
0,12
0,18
A razão entre o fluxo de calor do vidro e do tijolo é:
Φvidro
=
Φtijolo
1
0,0025
0,12
0,18
Dividindo as duas frações:
1
0,18
0,18
x
=
= 600
0,0025 0,12 0,0003