RECUPERAÇÃO FINAL 2011 Física

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RECUPERAÇÃO FINAL 2011
Física - EDMARDO
3ª Série do Ensino Médio
ROTEIRO








Escalas termométricas
Calor sensível e calor latente
Mudança de Fases
Trocas e propagação do calor
Dilatação térmica
Gases Perfeitos
Primeira Lei da Termodinâmica
Segunda Lei da Termodinâmica
LISTA DE EXERCÍCIOS
01 Dois termômetros, um graduado na escala X e outro na escala Y apresentam valores correspondentes de temperatura,
conforme indica a figura.
Quando o termômetro X é comparado com um termômetro graduado na escala Celsius, observa-se que seus valores
numéricos correspondem ao dobro dos valores de cada leitura Celsius.
a) Escreva a equação de conversão que determina o correspondente valor de temperatura no termômetro X, a partir de um
determinado valor de temperatura do termômetro Y.
b) Determine o valor correspondente na escala Kelvin à temperatura de –40 ºX.
02 Após um carpinteiro enterrar um enorme prego de ferro em uma viga de peroba, verifica-se que a temperatura do mesmo
elevou-se em 10 ºC.
Dados:  calor específico do ferro = 0,1 cal/(g ºC)
 massa do prego = 50 g
 1 cal = 4,2 J
Admitindo que 60% da energia transferida pelo martelo tenha acarretado a elevação da temperatura do prego e, considerando
que o carpinteiro tenha desferido 50 golpes com seu martelo sobre o prego, a energia média, em joules, transferida em cada
martelada é:
a)
b)
c)
d)
e)
10.
9.
8.
7.
6.
1
03 Um forno a gás de cozinha é utilizado para assar um bolo. O forno, inicialmente à temperatura de 30 ºC, é pré-aquecido
durante 15 minutos até atingir 180 ºC e, após o bolo ser colocado para assar, esta temperatura é mantida por 45 minutos. O
forno, que é construído com diferentes materiais, possui capacidade térmica média de 600 J/K. A absorção de energia pelo
bolo somada à perda de energia para o ambiente ocorre a uma taxa de 500 J/s. Sabe-se que a capacidade energética do gás é
de 120 MJ/m3. Nessas condições, calcule a:
a) potência total consumida para pré-aquecer o forno e assar o bolo;
b) quantidade total de gás consumida, em m3.
04 Uma amostra metálica é submetida a um tratamento térmico, à pressão constante, no qual a variação da temperatura com
o tempo pode ser aproximadamente representada pelo gráfico  x t:
Durante todo o processo as perdas de calor da amostra são desprezíveis e a taxa de aquecimento mantém-se constante.
Dados da amostra:massa = 30g; calor específico = 0,20 cal/g°C ( valor médio sob pressão constante e temperatura entre
0°C e 600°C ); calor latente de fusão = 90 cal/g
Determine:
a) a potência, em cal/min, fornecida pelo sistema de aquecimento à amostra;
b) a fração da amostra que fundiu até o instante t = 30 min;
c) o instante t, a partir do qual, mantidas as condições da experiência, a temperatura da amostra voltará a subir.
05 Um corpo I é colocado dentro de uma campânula de vidro transparente evacuada. Do lado externo, em ambiente à
pressão atmosférica, um corpo II é colocado próximo à campânula, mas não em contato com ela, como mostra a figura.
As temperaturas dos corpos são diferentes e os pinos que os sustentam são isolantes térmicos. Considere as formas de
transferência de calor entre esses corpos, colocando V ( verdadeira ) e F (falsa ).
1. (
2. (
3. (
4. (
)
)
)
)
Não há troca de calor entre os corpos I e II porque o ambiente no interior da campânula está evacuado.
Não há troca de calor entre os corpos I e II porque suas temperaturas são diferentes.
Há troca de calor entre os corpos I e II e a transferência se dá por convecção.
Há troca de calor entre os corpos I e II e a transferência se dá por meio de radiação eletromagnética.
2
06 O grafeno é um material formado por uma única camada de átomos de carbono agrupados na forma de hexágonos, como
uma colmeia. Ele é um excelente condutor de eletricidade e de calor e é tão resistente quanto o diamante. Os pesquisadores
Geim e Novoselov receberam o prêmio Nobel de Física em 2010 por seus estudos com o grafeno.
a) A quantidade de calor por unidade de tempo
que flui através de um material de área A e espessura d que separa dois
reservatórios com temperaturas distintas T1 e T2 , é dada por
, onde k é a condutividade térmica do material.
Considere que, em um experimento, uma folha de grafeno de A = 2,8 µm2 e d = 1,4 m separa dois microreservatório térmicos
mantidos a temperaturas ligeiramente distintas T1 = 300 K e T2 =302 K.
Usando o gráfico abaixo, que mostra a condutividade térmica k do grafeno em função da temperatura, obtenha o fluxo de calor
Ø que passa pela folha nessas condições.
b) A resistividade elétrica do grafeno à temperatura ambiente, ρ = 1,0 × 10–8m, é menor que a dos melhores condutores
metálicos, como a prata e o cobre. Suponha que dois eletrodos são ligados por uma folha de grafeno de comprimento
L = 1,4μm e área de secção transversal A = 70nm2, e que uma corrente i = 40 μ A percorra a folha. Qual é a diferença de
potencial entre os eletrodos?
07 Duas lâminas de metais diferentes, M e N, são unidas rigidamente. Ao se aquecer o conjunto até uma certa temperatura,
esse se deforma, conforme mostra a figura.
M
etalM
M
etalN
T
em
peraturaT
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
T
Com base na deformação observada, pode-se concluir que:
a)
b)
c)
d)
e)
A capacidade térmica do metal M é maior do que a capacidade térmica do metal N.
A condutividade térmica do metal M é maior do que a condutividade térmica do metal N.
A quantidade de calor absorvida pelo metal M é maior do que a quantidade de calor absorvida pelo metal N.
O calor específico do metal M é maior do que o calor específico do metal N.
O coeficiente de dilatação linear do metal M é maior do que o coeficiente de dilatação linear do metal N.
3
08 O comprimento de uma barra de latão varia em função da temperatura, segundo a Figura 4 a seguir. O coeficiente de
dilatação linear do latão, no intervalo de 0 °C a 100 °C, vale:
a)
b)
1,00 x 10 -5 / º C
5,00 x 10 -5 / º C
c) 2,00.10-5 / °C
2,00 x 10 -4
d)
e)
/ ºC
5,00 x 10 -4 / º C
09 “A malha ferroviária paulista apresenta atualmente 5,1 mil quilômetros, sendo 4 200 km em extensão e 900 km de linhas
em pátios. É formada por um conjunto de linhas e ramais ligando o interior do Estado de São Paulo e as regiões do triângulo
mineiro e do sudoeste de Minas Gerais à região metropolitana de São Paulo e ao porto de Santos. Ao longo desse trajeto, há
ligação com outras ferrovias, a Sul Atlântica, a Centro Atlântica e a Noroeste.”
(CETESB. Adaptado)
-6
1
Dado:  aço  12 x 10 º C
a) Supondo que as extensões citadas não levem em conta os pequenos espaçamentos entre trilhos, determine o acréscimo,
em m, de toda a extensão da malha ferroviária paulista, quando seus trilhos são submetidos a uma variação de 15ºC em
sua temperatura.
b) Um trilho possui comprimento de 25 000 mm quando se encontra a 0ºC. Ao ter sua temperatura aumentada para 40ºC, seu
comprimento passa para 25 001,2 mm. Para que o comprimento do trilho seja utilizado como substância termométrica,
escreva uma equação de conversão entre temperaturas medidas na escala Celsius, C, e medidas de comprimento,
em mm, L.
10
Nos manuais de utilização de um automóvel, recomenda se que os pneus sejam calibrados a cada 15 dias e à
temperatura ambiente, apresentando, inclusive, sugestão de intervalos de pressão para cada carga. Em uma região com
temperatura ambiente de 30 ºC, os pneus atingem 120 ºC após duas horas de viagem. Considerando o ar como um gás ideal e
desprezando a variação de volume do pneu, o aumento percentual de pressão será da ordem de:
a)
b)
c)
d)
e)
20%
30%
40%
200%
300%
4
11 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 P2;
2  3 : a temperatura da água é aumentada pela caldeira a pressão constante;
3  4 : a água é vaporizada a pressão e temperatura constantes (T3 = 400K);
4  5 : o vapor é aquecido a pressão constante, expandindo de V4 a V5;
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 .
12 O gráfico da pressão (P) em função do volume (V) representa a transformação gasosa AB sofrida por uma determinada
amostra de gás ideal. Sabe-se que V2 = 2V1, P2 = 2 P1 e que, em A, a temperatura absoluta do gás é T1. Determine o trabalho
realizado pelo gás, em função de P1 e V1, e sua temperatura em B, em função de T1.
13 Os estudos científicos desenvolvidos pelo engenheiro francês Nicolas Sadi Carnot (1796 – 1832) na tentativa de melhorar
o rendimento de máquinas térmicas serviram de base para a formulação da segunda lei da termodinâmica.
Acerca do tema, considere as seguintes afirmativas:
1.
2.
3.
O rendimento de uma máquina térmica é a razão entre o trabalho realizado pela máquina num ciclo e o calor retirado
do reservatório quente nesse ciclo.
Os refrigeradores são máquinas térmicas que transferem calor de um sistema de menor temperatura para outro a uma
temperatura mais elevada.
É possível construir uma máquina, que opera em ciclos, cujo único efeito seja retirar calor de uma fonte e transformá-lo
integralmente em trabalho.
Assinale a alternativa correta.
a)
b)
c)
d)
e)
Somente as afirmativas 1 e 3 são verdadeiras.
Somente a afirmativa 1 é verdadeira.
Somente a afirmativa 2 é verdadeira.
Somente as afirmativas 1 e 2 são verdadeiras.
Somente as afirmativas 2 e 3 são verdadeiras.
5
14 O ciclo de Carnot foi proposto em 1824 pelo físico francês Nicolas L. S. Carnot. O ciclo consiste numa seqüência de
transformações, mais precisamente de duas transformações isotérmicas (T H para a fonte quente e TC para a fonte fria),
intercaladas por duas transformações adiabáticas, formando assim o ciclo. Na sua máquina térmica, o rendimento seria maior
quanto maior for a temperatura da fonte quente. No diagrama abaixo, temos um ciclo de Carnot operando sobre fontes
térmicas de TH  800 K e TC  400 K .
Admitindo-se que o ciclo opera com fonte quente, recebendo 1000 J de calor, responda:
a)
Em que consistem os termos transformações isotérmicas e adiabáticas?
c) Determine o rendimento dessa máquina de Carnot.
c)
Essa máquina vai realizar um trabalho. Qual é o seu valor?
15
O gás que circula num compressor de geladeira executa um ciclo termodinâmico no sentido anti-horário como o
apresentado na figura abaixo:
Sabendo que a transformação C é adiabática, considere as seguintes afirmativas, colocando V ( verdadeira ) e F ( falsa ).
1. (
2. (
3. (
4. (
)
)
)
)
A transformação A ocorre a volume constante e nenhum trabalho é realizado.
A transformação B é isobárica e o meio externo realiza trabalho sobre o gás.
Não há trocas de calor na transformação C.
A temperatura na transformação C é constante.
16 Ao estudar-se o comportamento da pressão e temperatura de um gás ideal confinado no interior de um cilindro dotado de
êmbolo móvel, obteve-se o seguinte gráfico.
Admitindo que no trecho do gráfico contido entre os pontos A e B a curva é uma isoterma,
a) diga em que trecho do gráfico o gás não realiza trabalho; indique o ponto em que o gás possui o menor nível de energia.
b) Determine o módulo do trabalho realizado sobre o gás durante sua compressão.
6
17
Um motor de combustão foi projetado de tal forma que é capaz de realizar, em alguns ciclos, um trabalho de 200J ,
retirando 2000J de calor de uma fonte quente e transferindo 1800J para uma fonte fria, conforme o diagrama apresentado a
seguir.
As temperaturas das fontes fria e quente valem 300K e 600K, respectivamente. Calculando a eficiência desse motor e
comparando-a com a eficiência de uma máquina de Carnot, que opera entre essas mesmas duas fontes térmicas, podemos
afirmar que a eficiência dessa máquina é de:
a)
b)
c)
d)
e)
90%
90%
20%
20%
10%
e é físicamente impossível, pois se encontra acima da eficiência de uma máquina de Carnot;
e está abaixo da eficiência de uma máquina de Carnot;
e é físicamente impossível, pois se encontra acima da eficiência de uma máquina de Carnot;
e está abaixo da eficiência de uma máquina de Carnot;
e está abaixo da eficiência de uma máquina de Carnot.
18 Uma máquina térmica é constituída de um cilindro, cheio de gás, que tem um êmbolo móvel.
Durante o funcionamento dessa máquina, o gás é submetido a um processo cíclico, que o leva de um estado K a outro estado
L e, depois, de volta ao estado K e assim sucessivamente, como representado no diagrama pressão versus volume, mostrado
na figura abaixo.
Considerando essas informações, RESPONDA:
a) Em qual dos dois estados – K ou L – a temperatura do gás é maior?
JUSTIFIQUE sua resposta.
b) Em um ciclo completo, em que o gás sai do estado K e volta ao mesmo estado, essa máquina realiza trabalho líquido?
JUSTIFIQUE sua resposta.
c) Tendo-se em vista que se trata de um sistema ideal, é possível converter em trabalho todo o calor fornecido a essa
máquina?
JUSTIFIQUE sua resposta.
19 A respeito da teoria dos gases ideais, coloque (V) verdadeira e (F) falsa:
1. ( ) Nenhuma máquina térmica operando em ciclos pode retirar calor de uma fonte e transformá-lo integralmente em
trabalho.
2. ( ) A segunda lei da Termodinâmica se aplica aos refrigeradores, porque esses transferem calor da fonte fria para a fonte
quente.
3. ( ) O rendimento de uma máquina térmica que opera em ciclos pode ser de 100%.
4. ( ) A energia cinética média por molécula de um gás independe da natureza do gás, dependendo apenas da temperatura
absoluta.
7
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