Calor

ROTEIRO DE RECUPERAÇÃO FINAL – FISICA - TEIXEIRA
1. ROTEIRO PARA AULA.
- Calor
Calor é energia térmica em transito
Enquanto há diferença de temperatura, ocorre o fluxo de calor
Quando não há diferença de temperatura ocorre o equilíbrio térmico.
- Quando fornecemos calor a uma substância, seus átomos e moléculas ganham
agitação e, se não houver mudança de fase, sua temperatura aumenta.
- A quantidade de calor é proporcional à variação da temperatura
𝑄 ∝ Δ𝜃
- A constante de proporcionalidade é denominada capacidade térmica
𝑄 = 𝐶 ⋅ Δ𝜃
- Esta constante depende de cada substância. São fatores que interferem em seu valor
a massa da substância e o calor específico sensível, de modo que
𝐶 =𝑚⋅𝑐 →
- O calor que envolve mudança de temperatura, denominado calor sensível, pode então ser
calculado esta forma:
𝑄 = 𝑚 ⋅ 𝑐 ⋅ Δ𝜃
01. Dois corpos, A e B, são constituídos de alumínio e encontram-se inicialmente à
temperatura de 5 °C. Ambos recebem a mesma quantidade de calor sensível, e suas
temperaturas passam a ser 𝜃𝐴 = 10 °C e 𝜃𝐵 = 15 °C. Calcule a relação entre as
capacidades térmicas dos dois corpos, CA/CB.
02. O gráfico representa a variação de temperatura que um corpo de 50 g sofre em função
do calor absorvido. Determine o calor específico da substância, em cal/(g · °C).
03. Uma forma de aquecer água é usando aquecedores elétricos de imersão, dispositivos
que transformam energia elétrica em energia térmica, mediante o uso de resistores
elétricos. Um desses aquecedores, projetado para fornecer energia na razão de 500
calorias por segundo, é utilizado no aquecimento de 500 gramas de água, da
temperatura de 20 °C para 80 °C. Considerando que toda a energia transferida é
aproveitada no aquecimento da água e sabendo que o calor específico da água é c =
1,0 cal/(g · °C), determine o tempo necessário para atingir 80 °C
- Princípio das trocas de calor.
Em um sistema isolado, todo calor cedido por um corpo é absorvido por outro até que se
estabeleça o equilíbrio térmico. Ao calor cedido atribui-se valor negativo e ao calor absorvido,
sinal positivo.
𝑄𝑟𝑒𝑐𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 + 𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = 0
04. Dentro de um calorímetro ideal, temos um corpo A de 400 g de massa e temperatura
de 80 °C em contato térmico com um corpo B de 200 g à temperatura de 30 °C. O calor
específico sensível do corpo A vale cA = 0,2 cal/(g·°C) e do corpo B, cB = 0,6 cal/(g·°C).
Supondo que no processo de troca de calor não ocorreram mudanças de estado físico,
a) determine o valor da temperatura de equilíbrio térmico.
b) Construa o gráfico da temperatura versus módulo do calor trocado para este
sistema isolado desde o início até atingir seu equilíbrio térmico.
- Calor envolvendo mudança de estado físico.
- Calor latente
Se uma substância pura se encontra nas condições corretas de temperatura e pressão, para
ocorrer uma mudança de fase, a ela é fornecida uma quantidade de calor. Todo esse calor será
utilizado para a mudança de fase, não sendo observada mudança de temperatura. Nesse caso,
esse calor é chamado de calor latente.
𝑄𝑚𝑢𝑑𝑎𝑛ç𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑠𝑒 = 𝑚 ⋅ 𝐿
Onde L é uma constante que depende da fase em que ocorre a mudança
05. Consideremos um recipiente que contenha 10 gramas de gelo sob pressão de 1,0 atm
e temperatura de – 20 °C. Qual a quantidade de calor necessária para transformar
todo esse gelo em vapor-d'água a 120 °C? Utilize os dados da tabela:
Transformações gasosas
1. Transformação isotérmica
2. Transformação isobárica
3. Transformação isovolumétrica
Equação de Clapeyron
TRABALHO DE UM GÁS IDEAL
(transf. Isobárica)
Estática.
Para que um ponto material esteja em equilíbrio estático, ele não deve ter movimento de
translação, ou seja, sua velocidade escalar e a resultante das forças aplicadas devem ser nulas.
Para um corpo extenso permanecer em equilíbrio, a resultante das forças que nele atuam e o
momento resultante gerado por essas forças devem ser nulos.
Estando o sistema em equilíbrio de translação, obtemos:
Assim: N = P + P1 + P2
Estando o sistema em equilíbrio de rotação, obtemos:
Assim: MN + MP1 + MP2 + MP = 0
Princípio de Pascal
O princípio de Pascal pode assim ser escrito:
Qualquer variação de pressão que ocorra em um ponto qualquer de um líquido será
transmitida para todos os pontos desse mesmo líquido.
Força de empuxo
Pode-se determinar o empuxo sabendo o volume submerso do corpo:
Peso aparente
EXERCÍCIOS PARA ESTUDAR
01. A capacidade calorífera (térmica) de uma amostra de água é cinco vezes maior do que
a de um bloco de ferro. Considere tal amostra de água à temperatura de 20 °C e tal
bloco de ferro à temperatura de 50 °C. Colocando-os num recipiente termicamente
isolado e de capacidade térmica desprezível, pede-se:
a) a temperatura final de equilíbrio, em °C.
b) o gráfico da temperatura em função do calor trocado
02. O gráfico ao lado representa o diagrama da
variação da temperatura de duas substâncias em
função do tempo. A substância de massa m1,
inicialmente a 40,0 °C e de calor específico igual a
1,00 cal/(g · °C), mistura-se, em um recipiente de
capacidade térmica desprezível, com a substância
de massa m2 = 80,0 g, inicialmente a 120 °C e de
calor específico 0,600 cal/(g · °C). Determine o
valor da massa m1.
03. Um bloco metálico com 100 g de massa, a 225 °C, é introduzido num calorímetro de
capacidade térmica desprezível que contém 500 g de água, a 21 °C. Determine o calor
específico do metal que constitui o bloco, sabendo-se que o equilíbrio térmico se
estabelece a 25 °C. (calor específico da água = 1 cal/g°C)
04. A energia consumida por uma pessoa adulta em um dia é igual a 2 400 kcal. Determine
a massa de gelo a 0 °C que pode ser totalmente liquefeita pela quantidade de energia
consumida em um dia por um adulto. Em seguida, calcule a energia necessária para
elevar a temperatura dessa massa de água até 30 °C.
Dados
Calor específico latente de fusão do gelo = 80 cal/g
Calor específico sensível da água = 1,0 cal/(g · °C)
05. Em um local onde a água ferve a 100 °C, aquece-se 1 litro de água. A temperatura da
água varia conforme o gráfico.
a. Quantas calorias a água recebe durante os primeiros 5 minutos?
b. Se a transferência de calor for mantida na mesma razão, em que instante toda a
água terá se vaporizado?
Dados
Calor específico da água = 1,0 cal/(g · °C)
Calor latente de vaporização = 540 cal/g
Densidade da água = 1,0 kg/L
06. Um gás perfeito se encontra em um cilindro metálico dotado de um pistão que pode
variar seu volume interno. O gráfico ilustra o comportamento da pressão em função
do volume. Inicialmente no estado A, ele passa para o estado B onde o volume será 36
L. Qual o valor da nova pressão exercida pelo gás?
07. Uma amostra de oxigênio de massa 64,0 gramas e temperatura de 27 °C está
confinada em um recipiente de volume útil de 16,4 litros. Qual o valor da pressão no
interior do recipiente? Considere o oxigênio um gás perfeito. Dados 1 mol de O2 = 32,0
g; R = 0,082 atm · L / (mol · K)
08. Uma amostra composta de 4,0 mols de gás ideal monoatômico encontra-se confinada
em um cilindro de paredes rígidas, à temperatura de 87 °C. Calcule a energia interna
do gás.
09. O volume de um gás varia de 2 litros para 6 litros, sob pressão de 2 atm. Dado que 1
litro = 10–3 m3 e 1 atm = 105 N/m2, determine o trabalho realizado pelo gás, expresso
em joules.
10. Um gás perfeito descreve o ciclo ABCDA, como mostra a figura a seguir. Calcule o
trabalho realizado pelo gás, em joules.
11. Um gás ideal sofre a transformação cíclica ABCDA representada a seguir. Calcule:
a. O trabalho no ciclo ABCDA.
b. A quantidade de calor trocada por ciclo.
12. Um submarino, a uma profundidade de 50 metros abaixo do nível do mar, libera uma
bolha de ar por meio do seu sistema de escape com volume igual a 0,1 m3. A bolha
sobe até a superfície, onde a pressão é igual a 1,0 atm (pressão atmosférica).
Considere que a temperatura da bolha permaneça constante e que a pressão aumente
1,0 atm a cada 10 m de profundidade. Nesse caso, sendo o ar um gás ideal, determine
o valor do volume da bolha na superfície.
13. A bola utilizada em uma partida de futebol é uma esfera de diâmetro interno igual a 20
cm. Quando cheia, a bola apresenta, em seu interior, ar sob pressão de 1,0 atm e
temperatura de 27 °C. Considere π = 3, R = 0,080 atm · L · mol–1 · K–1 e, para o ar,
comportamento de gás ideal e massa molar igual a 30 g · mol–1.De quanto
corresponde no interior da bola cheia, a massa de ar, em gramas?
14. Um mol de gás ideal sofre a transformação A → B → C indicada no diagrama pressão ×
volume da figura. É dada a constante universal dos gases: R = 0,082 atm · L/mol · K =
8,3 J/mol · K
a. Qual é a temperatura do gás no estado A?
b. Qual é a pressão do gás no estado C?
15. Considere o gráfico da pressão em função do volume de certa massa de gás perfeito
que sofre uma transformação do estado A para o estado B. Admitindo que não haja
variação da massa do gás durante a transformação, determine a razão entre as
energias internas do gás nos estados A e B.
16. Uma amostra de gás perfeito é levada do estado A ao estado B, sob pressão constante
de 3,0 · 105 Pa, conforme indica o diagrama. Calcule o trabalho realizado pelo gás
durante a transformação.
17. Um pistão com êmbolo móvel contém 2 mols de O2 e recebe 581 J de calor. O gás
sofre uma expansão isobárica na qual seu volume aumenta de 1,66 L, a uma pressão
constante de 105 N/m2. Considerando que nessas condições o gás se comporta como
gás ideal, utilize R = 8,3 J/mol · K e calcule:
a. a variação de energia interna do gás;
b. a variação de temperatura do gás.
c. Represente o gráfico PxV deste processo