Fenômenos Térmicos

Cur so de Fér ias – 2011 Pr ofessor Vasco Vasconcelos – Fenômenos Tér micos 1. (CPS 2010) Os manuais de aparelhos celulares recomendam que estes permaneçam distantes do corpo por pelo menos 2,5 cm, pois a Organização Mundial de Saúde (OMS) divulgou um relatório sobre o impacto, na saúde humana, da radiação emitida por estes aparelhos, informando que os sinais emitidos por eles conseguem penetrar até 1 cm nos tecidos humanos, provocando um aumento de temperatura. Considere que: • os sinais emitidos pelos celulares têm, em média, potência de 0,5 W e são gerados apenas durante o uso do telefone; • 1 W (um watt) = 1 J/s ( um joule de energia por segundo); • o calor específico da água vale 4,2 J/g°C, ou seja, são necessários 4,2 J para variar em 1º C a temperatura de 1 g de água. Supondo que a radiação emitida por um desses aparelhos seja usada para aquecer 100 g de água e que apenas 50% da energia emitida pelo celular seja aproveitada para tal, o tempo necessário para elevar a temperatura dessa quantidade de água de 1ºC será de a) 10 min. b) 19 min. c) 23 min. d) 28 min. e) 56 min. Solução: Dados: PT = 0,5 W; h = 50%; m = 100 g; c = 4,2 J/g.°C. Quantidade de calor necessária para aquecer a massa de água de 1°C: Q = m c Dt Þ Q = 100 (4,2) (1) Þ Q = 420 J. Potência útil: Pu = h PT = 0,5 (0,5) = 0,25 W. Pu =
Q Dt
Þ Dt =
Q
420 =
= 1680 s
Pu 0,25 Þ Dt = 28 min. Opção cor reta: d 2.(Enem 2ª aplicação 2010) No nosso dia a dia, deparamo­nos com muitas tarefas pequenas e problemas que demandam pouca energia para serem resolvidos e, por isso, não consideramos a eficiência energética de nossas ações. No global, isso significa desperdiçar muito calor que poderia ainda ser usado como fonte de energia para outros processos. Em ambientes industriais, esse reaproveitamento é feito por um processo chamado de cogeração. A figura a seguir ilustra um exemplo de cogeração na produção de energia elétrica.
Em relação ao processo secundário de aproveitamento de energia ilustrado na figura, a perda global de energia é reduzida por meio da transformação de energia a) térmica em mecânica. b) mecânica em térmica. c) química em térmica. d) química em mecânica. e) elétrica em luminosa. Solução: Como no processo secundário de aproveitamento de energia, o calor é usado na formação de vapor aquecido para mover as turbinas, temos, então, transformação de energia tér mica em energia mecânica. 3.(Enem 2010) Com o objetivo de se testar a eficiência de fornos de micro­ondas, planejou­se o aquecimento em 10°C de amostras de diferentes substâncias, cada uma com determinada massa, em cinco fornos de marcas distintas. Nesse teste, cada forno operou à potência máxima. O forno mais eficiente foi aquele que a) forneceu a maior quantidade de energia às amostras. b) cedeu energia à amostra de maior massa em mais tempo. c) forneceu a maior quantidade de energia em menos tempo. d) cedeu energia à amostra de menor calor específico mais lentamente. e) forneceu a menor quantidade de energia às amostras em menos tempo. Solução:Admitindo que a potência elétrica total consumida é a mesma para os cinco fornos, e que eficiência seja sinônimo de rendimento, o forno com maior eficiência é aquele capaz de fornecer a maior potência útil às diferentes amostras, isto é, ceder a maior quantidade de energia no menor intervalo de tempo. 4.(Enem ­ 2010) Em nosso cotidiano, utilizamos as palavras “calor” e “temperatura” de forma diferente de como elas são usadas no meio científico. Na linguagem corrente, calor é identificado como “algo quente” e temperatura mede a “quantidade de calor de um corpo”. Esses significados, no entanto, não conseguem explicar diversas situações que podem ser verificadas na prática. Do ponto de vista científico, que situação prática mostra a limitação dos conceitos corriqueiros de calor e temperatura? a) A temperatura da água pode ficar constante durante o tempo em que estiver fervendo. b) Uma mãe coloca a mão na água da banheira do bebê para verificar a temperatura da água. c) A chama de um fogão pode ser usada para aumentar a temperatura da água em uma panela. d) A água quente que está em uma caneca é passada para outra caneca a fim de diminuir sua temperatura. e) Um forno pode fornecer calor para uma vasilha de água que está em seu interior com menor temperatura do que a dele. Solução: No sentido científico, supondo que a água esteja fervendo a céu aberto, haverá, por conta do recebimento de energia (calor), ebulição. A temperatura da massa líquida permanecerá constante, logo, a energia cinética média por molécula permanece constante. Porém, haverá cada vez menos moléculas na massa líquida. Portanto, a quantidade de energia da massa líquida diminui, apesar do recebimento de energia. Dessa forma, se entendêssemos quantidade de calor do corpo como temperatura, como na linguagem corrente, seríamos obrigados a dizer que a temperatura da água diminui durante o tempo em que estiver fervendo.Portanto, a alternativa A mostra as limitações da linguagem cotidiana. 5.(Enem­2010) Sob pressão normal (ao nível do mar), a água entra em ebulição à temperatura de 100°C. Tendo por base essa informação, um garoto residente em uma cidade litorânea fez a seguinte experiência: • Colocou uma caneca metálica contendo água no fogareiro do fogão de sua casa.
• Quando a água começou a ferver, encostou cuidadosamente a extremidade mais estreita de uma seringa de injeção, desprovida de agulha, na superfície do líquido e, erguendo o êmbolo da seringa, aspirou certa quantidade de água para seu interior, tapando­a em seguida. • Verificando após alguns instantes que a água da seringa havia parado de ferver, ele ergueu o êmbolo da seringa, constatando, intrigado, que a água voltou a ferver após um pequeno deslocamento do êmbolo. Considerando o procedimento anterior, a água volta a ferver porque esse deslocamento a) permite a entrada de calor do ambiente externo para o interior da seringa. b) provoca, por atrito, um aquecimento da água contida na seringa. c) produz um aumento de volume que aumenta o ponto de ebulição da água. d) proporciona uma queda de pressão no interior da seringa que diminui o ponto de ebulição da água. e) possibilita uma diminuição da densidade da água que facilita sua ebulição. Solução: A temperatura de ebulição da água depende da pressão exercida sobre sua superfície livre. Quanto maior a pressão sobre essa superfície, maior a temperatura de ebulição da água, e quanto menor, menor a temperatura de ebulição. Inicialmente, a pressão sobre a superfície é igual à pressão atmosférica. Ao erguer­se o êmbolo aquela diminui, acarretando a redução da temperatura de ebulição. Portanto, a água ferve a uma temperatura menor do que 100ºC. 6. (UNESP­2010) Nos últimos anos temos sido alertados sobre o aquecimento global. Estima­se que, mantendo­se as atuais taxas de aquecimento do planeta, haverá uma elevação do nível do mar causada, inclusive, pela expansão térmica, causando inundação em algumas regiões costeiras. Supondo, hipoteticamente, os oceanos como sistemas fechados (área fixa) e considerando que o coeficiente de dilatação volumétrica da água é aproximadamente 2 x 10 –4 ºC –1 e que a profundidade média dos oceanos é de 4 km, um aquecimento global de 1 ºC elevaria o nível do mar, devido à expansão térmica, em, aproximadamente, a) 0,3 m. b) 0,5 m. c) 0,8 m. d) 1,1 m. e) 1,7 m. Solução: Como a água dilata­se em todas as direções, não podemos levar em conta apenas a dilatação na vertical, como se fosse dilatação linear. O enunciado manda considerar os oceanos como sistemas fechados, então a área ocupada pela água (área da base do “recipiente”) se mantém constante. Dados: h 0 = 4 km = 4 ´ 10 3 m; g = 2 ´ 10 –4 °C ­1 ; Dq = 1 °C. Vale a pena relembrar que V = A x h, nessa situação. Da expressão da dilatação dos líquidos:
DV=V0g Dq ® A Dh= A0 h0 Dq ® Dh= 4 x 10 3 x 2 x 10 ­4 x 1 ® Dh= 0,8m Opção cor reta: c 7. (UFTM­2010) Após um carpinteiro enterrar um enorme prego de ferro em uma viga de peroba, verifica­se que a temperatura do mesmo elevou­se 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) 10. b) 9. c) 8. d) 7. e) 6. Solução: Energia absorvida pelo prego: Q = mcΔθ = 50x0,1x10 = 50cal = 210J 60 E = 210 ® E = 350J 100
E Energia despendida pelo carpinteiro em cada golpe: = 7,0J . Opção cor reta: d 50
Energia despendida pelo carpinteiro: 8. (UFTM 2011) Dona Joana é cozinheira e precisa de água a 80 ºC para sua receita. Como não tem um termômetro, decide misturar água fria, que obtém de seu filtro, a 25 ºC, com água fervente. Só não sabe em que proporção deve fazer a mistura. Resolve, então, pedir ajuda a seu filho, um excelente aluno em física. Após alguns cálculos, em que levou em conta o fato de morarem no litoral, e em que desprezou todas as possíveis perdas de calor, ele orienta sua mãe a misturar um copo de 200 mL de água do filtro com uma quantidade de água fervente, em mL, igual a a) 800. b) 750. c) 625. d) 600. e) 550. Solução: O somatório dos calores trocados é nulo.
Q1 + Q2 = 0 Þ m1 c DT1 + m 2 c DT2 = 0 Þ 200 ( 80 - 25 ) + m 2 ( 80 - 100 ) = 0 Þ
20m 2 = 11.000 Þ m2 = 550 g.
Opção cor reta:e 9. (CEFET­SC­2010) Em nossas casas, geralmente são usados piso de madeira ou de borracha em quartos e piso cerâmico na cozinha. Por que sentimos o piso cerâmico mais gelado? a) Porque o piso de cerâmica está mais quente do que o piso de madeira, por isso a sensação de mais frio no piso cerâmico. b) Porque o piso de cerâmica está mais gelado do que o piso de madeira, por isso a sensação de mais frio no piso cerâmico. c) Porque o piso de cerâmica no quarto dá um tom menos elegante. d) Porque o piso de madeira troca menos calor com os nossos pés, causando­nos menos sensação de frio.
e) Porque o piso de cerâmica tem mais área de contato com o pé, por isso nos troca mais calor, causando sensação de frio. Solução: A madeira tem condutividade térmica menor do que a cerâmica. Estando à temperatura menor que os nossos pés, o calor flui mais lentamente para a madeira, causando­nos a sensação térmica de estar menos frio. Opção cor reta:d 10. (IFSP­ 2011) A temperatura normal do corpo humano é de 36,5 °C. Considere uma pessoa de 80 Kg de massa e que esteja com febre a uma temperatura de 40°C. Admitindo que o corpo seja feito basicamente de água, podemos dizer que a quantidade de energia, em quilocalorias (kcal), que o corpo dessa pessoa gastou para elevar sua temperatura até este estado febril, deve ser mais próxima de: Dado:calor específico da água c = 1,0 cal/g°C a) 200. b) 280. c) 320. d) 360. e) 420. Solução: Dados: m = 80 kg = 80.000 g; Dt = 40 – 36,5 = 3,5 °C; c = 1 cal/g×°C. Da equação do calor sensível: Q = m c Dt Þ Q = 80.000 ´ 1 ´ 3,5 = 280.000 cal Þ Q = 280 kcal. Opção correta:b 11. (IFSP 2011) No alto de uma montanha a 8 ºC, um cilindro munido de um êmbolo móvel de peso desprezível possui 1 litro de ar no seu interior. Ao levá­lo ao pé da montanha, cuja pressão é de 1 atmosfera, o volume do cilindro se reduz a 900 cm 3 e sua temperatura se eleva em 6 ºC. A pressão no alto da montanha é aproximadamente, em atm, de a) 0,66. b) 0,77. c) 0,88. d) 0,99. e) 1,08. Solução: Dados: T 1 = 8 °C = 281 K; V1 = 1 L; P 2 = 1 atm; V2 = 900 cm 3 = 0,9 L; T 2 = T1 + 6 = 287 K. Considerando o ar com gás ideal, pela equação geral dos gases ideais:
P1 V1
T1
=
P2 V2
T2 Þ
P1 (1 )
281
=
1( 0,9 )
287
Þ
P 1 =
252,9 287
Þ P1 = 0,88 atm. Opção corr eta:c 12. (UFU­2011) Para tentar descobrir com qual material sólido estava lidando, um cientista realizou a seguinte experiência: em um calorímetro de madeira de 5 kg e com paredes adiabáticas foram colocados 3 kg de água. Após certo tempo, a temperatura medida foi de 10° C, a qual se manteve estabilizada. Então, o cientista retirou de um forno a 540° C uma amostra desconhecida de 1,25 kg e a colocou dentro do calorímetro. Após um tempo suficientemente longo, o cientista percebeu que a temperatura do calorímetro marcava 30° C e não se alterava (ver figura abaixo). Material Calor específico (cal/g.ºC) Água 1,00 Alumínio 0,22 Chumbo 0,12 Ferro 0,11 Madeira 0,42 Vidro 0,16
Sem considerar as imperfeições dos aparatos experimentais e do procedimento utilizado pelo cientista, assinale a alternativa que indica qual elemento da tabela acima o cientista introduziu no calorímetro. a) Chumbo b) Alumínio c) Ferro d) Vidro e) Madeira Solução: å Q = 0 ® ( mcΔθ)água + (mcΔθ)madeira + ( mcΔθ )material = 0 3.1.(30 - 10) + 5.0,42(30 - 10) + 1,25c(30 - 540) = 0
637,5 c = 102 ® c = 0,16 cal / g0 C
Opção cor reta: d 13. (CPS­ 2010) Você já pensou em passar a noite em uma geladeira ou dormir sobre uma grande pedra de gelo? Apesar de essa ideia ser assustadora, já existem hotéis feitos de gelo que são como imensos iglus. O primeiro hotel de gelo do mundo, o Ice, fica na Suécia. Esse hotel possui paredes, camas, mesas e tudo o que existe em um hotel normal, só que de gelo. Não há como não se impressionar. A inusitada construção é branca, transparente e costuma durar apenas o período do inverno, porque depois o gelo se derrete. Numa noite, verificou­se que a temperatura externa era muito mais baixa que a temperatura do interior do hotel Ice. A diferença de temperatura entre o interior do hotel e seu exterior se deve ao fato de o gelo apresentar um valor baixo para a) o calor específico. b) a capacidade térmica. c) o coeficiente de atrito. d) o coeficiente de dilatação térmica. e) a constante de condutibilidade térmica. Solução: O gelo possui baixo coeficiente de condutividade térmica, impedindo a perda de calor de dentro do hotel para o meio ambiente. Opção correta: e 14. (Uerj 2010) A tabela abaixo mostra a quantidade de alguns dispositivos elétricos de uma casa, a potência consumida por cada um deles e o tempo efetivo de uso diário no verão. Dispositivo Quantidade Potência (kW) Tempo efetivo de uso diário (h) ar­ condicionado 2 1,5 8 geladeira 1 0,35 12 lâmpada 10 0,10 6 Considere os seguintes valores: • densidade absoluta da água: 1,0 g/cm 3 • calor específico da água: 1,0 cal.g ­1 0C ­1 • 1 cal = 4,2 J • custo de 1 kWh = R$ 0,50 No inverno, diariamente, um aquecedor elétrico é utilizado para elevar a temperatura de 120 litros de água em 30 ºC. Durante 30 dias do inverno, o gasto total com este dispositivo, em reais, é cerca de:
a) 48 b) 63 c) 96 d) 126 e) 138 Solução: Dados: V = 120 L Þ m = 120 kg; DT = 30°C; c = 1 cal.g –1 .°C –1 = 4.200 J.kg –1 .°C –1 . Calculando a quantidade de calor gasta diariamente: Q = m c DT = 120 ´ 4.200 ´ 30 = 15,12 ´ 10 6 J. Calculando a equivalência entre quilowatt e joule: 1 kWh = (10 3 W) ´ (3.600 s) = 3,6 ´ 10 6 W.s = 3,6 ´ 10 6 J. ìï3,6 ´ 10 6 J Þ 1 kWh í
6 ïî15,12 ´ 10 Þ Q
Þ Q = 15,12 ´ 10 6 3,6 ´ 10 6 Þ Q = 4,2 kWh. O gasto total com esse dispositivo em 30 dias é:GTotal = 30 ´ 4,2 ´ 0,50 Þ Gtotal = R$ 63,00. Opção cor reta: b 15. (Unicamp 2011) Em abril de 2010, erupções vulcânicas na Islândia paralisaram aeroportos em vários países da Europa. Além do risco da falta de visibilidade, as cinzas dos vulcões podem afetar os motores dos aviões, pois contêm materiais que se fixam nas pás de saída, causando problemas no funcionamento do motor a jato. Uma erupção vulcânica pode ser entendida como resultante da ascensão do magma que contém gases dissolvidos, a pressões e temperaturas elevadas. Esta mistura apresenta aspectos diferentes ao longo do percurso, podendo ser esquematicamente representada pela figura a seguir, onde a coloração escura indica o magma e os discos de coloração clara indicam o gás. Segundo essa figura, pode­se depreender que a) as explosões nas erupções vulcânicas se devem, na realidade, à expansão de bolhas de gás. b) a expansão dos gases próximos à superfície se deve à diminuição da temperatura do magma. c) a ascensão do magma é facilitada pelo aumento da pressão sobre o gás, o que dificulta a expansão das bolhas. d) a densidade aparente do magma próximo à cratera do vulcão é maior que nas regiões mais profundas do vulcão, o que facilita sua subida. e) as explosões nas erupções vulcânicas se devem, na realidade, à compressão de bolhas de gás. Solução: Conforme sugere a figura, à medida que as bolhas sobem, elas sofrem expansão, pois reduz­se a pressão sobre elas. Opção corr eta:a