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1 NOME: Nº 2 o ano do Ensino Médio TURMA: Data: 11/ 12/ 12 DISCIPLINA: Física PROF. : Petrônio L. de Freitas ASSUNTO: Recuperação Final - 1a.lista de exercícios - Comentada VALOR: 13,0 NOTA: INSTRUÇÕES (Leia com atenção!) Não se esqueça de preencher, a caneta, o cabeçalho desta lista de exercícios com seu nome completo e turma. Esta é a 1 a lista de exercícios da recuperação final. Serão, ao todo, duas listas que serão resolvidas em parte nas aulas de recuperação e deverão ser completadas em casa. Resolva todos os exercícios desta lista nos espaços destinados às respostas. Não serão aceitas folhas complementares a esta lista de recuperação. Esta lista de exercícios deve ser entregue, completamente resolvida, no dia da 1 a prova de recuperação final. Ao fazer os exercícios desta lista, tenha em mente que a recuperação tem por objetivo fazer com que você estude de novo e aprenda os conteúdos que você não tinha entendido bem durante a etapa. Por isso, faça um esforço para prestar atenção nas explicações do professor e faça todos os exercícios desta lista com a intenção de aprender. Nas questões numéricas, faça seus cálculos de maneira clara e organizada, expressando seus cálculos na forma de equações e expressões matemáticas (e não como continhas de canto de página). Não deixe de colocar as respostas com as unidades corretas. Não é necessário justificar as questões fechadas, a não ser que seja pedido explicitamente, mas você precisa estar certo de que entendeu o que foi pedido e de que sabe por que a resposta deve ser aquela que você marcou e não outra. Às vezes, uma pequena observação feita a lápis ao lado de uma questão de múltipla escolha ajuda muito na hora de estudar para a prova. Acostume-se a fazer todos os cálculos sem calculadora. Você não poderá usá-la na hora da prova, então, treine a fazer contas com lápis e papel desde já. Procure decorar as fórmulas usadas por você nesta lista de exercícios, saber o significado de cada termo delas e, sobretudo, aprender a utilizá-las corretamente. Lembre-se: saber de cor uma fórmula não é suficiente para resolver um problema de Física. Você deve, antes de mais nada, saber interpretar o problema de Física e saber os conceitos envolvidos na questão. IMPORTANTE! As questões a seguir foram resolvidas para que os alunos tenham um material confiável para estudarem para a prova final. Os assuntos desta lista de recuperação e seus correspondentes tópicos no livro texto são: Temperatura e equilíbrio térmico (tópicos 1.1 e 1.4) Dilatação térmica, vista apenas de forma conceitual, sem cálculos (tópicos 11,2 e 1.3) Comportamento dos gases (tópicos 2.1 a 2.5) Calor e formas de transferência de calor (tópico 3.1 e 3.2) Capacidade térmica e calor específico (tópico 3.3) Leis da termodinâmica e máquinas térmicas (tópicos 3.4 a 3.7) Recomendamos que você leia esses tópicos antes de tentar resolver os exercícios desta apostila. 1) A temperatura pode ser entendida como uma medida de quão quente ou quão frio um certo material está. O aumento ou diminuição da temperatura de um certo material está relacionado, também, com o comportamento dos átomos e moléculas desse material. Qual é a relação entre a temperatura de um objeto e o comportamento de seus átomos e moléculas? A temperatura de um objeto está relacionada com a agitação de seus átomos e moléculas. Quanto maior a temperatura de um objeto, mais agitados estão os átomos e moléculas que o compõem.

2 2) Complete a frase abaixo. A escala de temperatura adotada no Brasil é a escala _Celsius. Quando ela foi criada, em 1742, foram escolhidos dois fenômenos para serem usados como referência para sua calibração. A esses fenômenos foram atribuídos valores de temperatura. Os valores de temperatura usados como referência nessa escala e os fenômenos aos quais eles correspondem são: Temperatura: 0 C Fenômeno: Fusão do gelo ou congelamento da água. Temperatura: 100 C Fenômeno: Ebulição da água ou água ferve. 3) Considerando as escalas da questão anterior, a temperatura de 40 I (da escala Inventada) corresponde, na escala Kelvin, à temperatura de A) 323 K B) 335 K C) 348 K D) 359 K Esta questão foi anulada, pois não há na figura acima a indicação da citada escala Inventada nem é objetivo desta lista de exercícios o estudo das técnicas de conversão de temperatura entre escalas diferentes. Esta questão foi colocada na lista por engano. 4) Que outro nome recebe a temperatura de zero Kelvin? O que representa o valor zero na escala Kelvin? A temperatura de zero Kelvin (0 K) é também conhecida como zero absoluto. Esse valor corresponde ao limite mínimo de temperatura que um objeto pode atingir. Se a temperatura é entendida como uma medida do grau de agitação das moléculas, então, na temperatura de zero Kelvin, as moléculas de um objeto estaria completamente paradas, sem vibração. 5) Um pesquisador estava fazendo estudos sobre o crescimento de filhotes recém nascidos de uma espécie de camundongos. Para saber a temperatura corporal desses animais tão pequenos, o pesquisador colocou 20 deles amontoados em um recipiente (com o cuidado para que não se ferissem nem se sufocassem) e introduziu entre eles um termômetro. Após alguns minutos, o pesquisador observou que a temperatura marcada pelo termômetro havia parado de subir e que ela se estabilizara no valor de 12 C. É correto concluir que a temperatura corporal de cada filhote recém nascido dessa espécie de camundongos é: A) 0,6 C. X B) 12 C. Os filhotes estão em equilíbrio térmico. Se o conjunto está a 12 C, todos eles estão a 12 C. C) 24 C. D) 240 C. 6) Por que motivo um sólido se dilata quando é aquecido? Explique com detalhes. Num sólido, os átomos estão ligados uns aos outros por forças de origem elétrica que funcionam como molas, que evitam que os átomos se afastem muito uns dos outros bem como evita que eles se aproximem em demasia. Os átomos, então, vibram em torno de uma posição média. A força que une esses átomos atua com maior intensidade quando impede os átomos de se aproximarem em demasia do que quando os impede de se afastarem demais. Assim sendo, quando a temperatura aumenta, os átomos passam a vibrar mais, afastando-se mais da posição de equilíbrio ao oscilarem e, devido a essa diferença entre as intensidades das forças, acabam se empurrando mutuamente e se afastando uns dos outros, provocando a dilatação térmica.

3 7) Sabe-se que o coeficiente de dilatação linear do alumínio é 2,3 x 10-5 C -1. Explique o que significa esse valor. Dizer que o coeficiente de dilatação linear do alumínio vale 2,3 x 10-5 C -1, equivale a dizer que, para cada 1 C aumentado na temperatura de um objeto de alumínio, esse objeto aumentará 2,3 milionésimos de seu comprimento (ou largura) original. 8) Sabe-se que o coeficiente de dilatação volumétrica da glicerina é 0,5 x 10-3 C -1. Explique o que significa esse valor. Dizer que o coeficiente de dilatação volumétrica da glicerina vale 0,5 x 10-3 C -1, equivale a dizer que, para cada 1 C aumentado na temperatura de um certo volume de glicerina, essa porção de glicerina sofrerá um aumento de 0,5 milésimos do seu volume original. 9) Um pino de chumbo está firmemente encaixado a um tubo de aço, conforme mostra a figura. É impossível aquecer ou resfriar apenas o pino ou apenas o tubo já que as duas peças estão presas. Considere os coeficientes de dilatação linear desses materiais que estão anotados abaixo da figura. Para que as duas peças se soltem, sem que nenhuma delas seja danificada, devemos: A) esfriar o conjunto pino+tubo, pois o aço se contrairá mais do que o chumbo. X B) esfriar o conjunto pino+tubo, pois o chumbo se contrairá mais do que o aço. C) aquecer o conjunto pino+tubo, pois o aço dilatará mais do que o chumbo. D) aquecer o conjunto pino+tubo, pois o chumbo dilatará mais do que o aço. Aço = 1, C 1 Chumbo = 2, C 1 10) Uma fita bimetálica é uma fita formada por duas lâminas de metais diferentes soldadas uma sobre a outra. Essas fitas normalmente são usadas como termostatos em aparelhos que têm seu funcionamento condicionado à temperatura. Considere a fita mostrada nas figuras abaixo. Em temperatura ambiente a fita fica reta, como mostrado na figura 1. Sabendo que o metal 1 tem coeficiente de dilatação menor do que o metal 2 e supondo que esta fita fique envergada como mostrado na figura 2 unicamente por causa da variação de sua temperatura, é correto afirmar que ela: A) foi esfriada e o metal 1 se contraiu mais do que o metal 2. B) foi esfriada e o metal 2 se contraiu mais do que o metal 1. C) foi aquecida e o metal 1 se dilatou mais do que o metal 2. X D) foi aquecida e o metal 2 se dilatou mais do que o metal 1. 11) Um gás está confinado em um recipiente provido de um êmbolo móvel (veja a figura). As afirmativas abaixo se referem a possíveis transformações que podem ser feitas nesse gás e considerações sobre seu novo estado. Assinale com um V as afirmativas verdadeiras e com um F as afirmativas falsas. (F) Se o êmbolo for empurrado para baixo, reduzindo-se o volume ocupado pelo gás, a pressão desse gás diminuirá. Falso. A pressão vai aumentar e não diminuir. (F) Se o gás for aquecido e o êmbolo for mantido em posição fixa, a pressão do gás permanecerá constante. Falso. A pressão vai aumentar. (V) Se o gás for aquecido e o êmbolo puder se mover livremente, o volume ocupado por ele aumentará. (V) Se no recipiente for injetado mais gás com a mesma temperatura do gás inicial, mas o êmbolo for impedido de se mover, a pressão do gás aumentará. (V) Se no recipiente for injetado mais gás com a mesma temperatura do gás inicial, o volume ocupado pelo gás aumentará se o êmbolo puder mover-se livremente.

4 Para relembrar os conceitos envolvidos no comportamento dos gases, resolva os exercícios seguintes. 12) Transformação isotérmica O prefixo iso significa _ igual e a palavra grega thérme indica temperatura. Portanto, uma transformação isotérmica é aquela em que a _ temperatura permanece constante. Na transformação isotérmica, quando um gás é comprimido num cilindro, seu volume _diminui enquanto sua pressão aumenta. Logo, na transformação isotérmica, a pressão e o volume são inversamente proporcionais. 13): Complete o quadro abaixo, anotando os valores de volume, pressão e de temperatura compatíveis com uma transformação isotérmica. Estado do gás Pressão, p (atmosferas) Volume, V (litros) Temperatura, T (Kelvin) Valor da constante p V (_atm x litro_) I 0,50 12, II 1 6, III 1, IV 2, V 3 2, ) O gráfico p V de uma transformação isotérmica tem o aspecto semelhante ao gráfico ao lado. (Faça o gráfico a partir dos dados da tabela.) Note que é o gráfico de uma hipérbole. A essa curva damos o nome de isoterma. 15) Transformação isobárica O prefixo iso significa igual e o termo bárico indica _ pressão. Portanto, uma transformação isobárica é aquela em que a _ pressão permanece constante. Na transformação isobárica, quando um gás é _ aquecido _, seu volume _ aumenta _ enquanto sua pressão permanece constante. Logo, na transformação isobárica, a temperatura e o volume são diretamente proporcionais, desde que a temperatura seja dada na escala _ Kelvin_.

5 16) Se fizermos a experiência de resfriarmos um gás e observarmos a correspondente diminuição de seu volume numa transformação isobárica, obteremos um gráfico de volume, V, por temperatura dada em graus Celsius, t, semelhante ao gráfico abaixo. Podemos notar que o gráfico é uma linha reta que não passa pela origem, logo a temperatura na escala Celsius não é diretamente proporcional ao volume do gás. a): Faça a extrapolação do gráfico e indique nele qual deve ser a temperatura para a qual o volume é igual a zero. b) Qual deve ser, portanto, a escala de temperatura usada nas equações das transformações de um gás, para que o volume seja diretamente proporcional à temperatura? Escala Kelvin c) Como se faz para converter uma temperatura na escala Celsius para a escala Kelvin? Basta somar 273 graus ao valor na escala Celsius. T K = T C ) Um gás está contido num recipiente provido de um êmbolo que se move livremente. Ao ser aquecido isobaricamente, o gás passa de um estado inicial, em que sua temperatura é t1 = 27 C e seu volume é V1 = 2,0 litros, para um estado final, em que sua temperatura é t2 = 77 C. Calcule o volume final, V2, desse gás. T1 = = 300 K (Conversão das temperaturas para a escala Kelvin.) T2 = = 350 K 2,0 litros 300 K V2 350 K 350 x 2,0 = V2 x 300 V2 = 2,3 litros 18) Transformação isovolumétrica O prefixo iso significa _ igual e o termo volumétrico indica _ volume. Portanto, transformação isovolumétrica é aquela em que o volume permanece constante. Na transformação isovolumétrica, quando um gás é aquecido, a sua pressão _ aumenta _ enquanto seu volume permanece constante._. Logo, na transformação isovolumétrica, a pressão e a temperatura são _ diretamente, desde que essa temperatura seja dada na escala _ Kelvin. _.

6 19) Transformação geral dos gases Um gás pode sofrer transformações em que tanto a temperatura, quanto a pressão, quanto o volume podem sofrer alterações. Contudo, observa-se que essas grandezas estão relacionadas entre si. Para uma certa massa de um gás, fixadas duas dessas grandezas, a terceira terá necessariamente um certo valor. A expressão matemática que relaciona a pressão, p, o volume, V, e a temperatura, T, numa transformação geral é: 20) Uma certa quantidade de um gás está sofrendo transformações em que tanto a temperatura, quanto a pressão, quanto o volume estão variando. Complete a tabela abaixo com os valores corretos. Considere o estado inicial do gás para determinar as grandezas nos demais estados. Estado do gás e descrição da transformação Pressão, p (atmosferas) Volume, V (litros) Temperatura, T (Kelvin) Estado I Estado inicial 1,0 2,0 200 Valor da constante p V T (atm l / K) Estado II O gás é aquecido e comprimido ao mesmo tempo. Estado III O gás é expandido para que ocorra uma diminuição da pressão do gás. Estado IV Fixa-se a pressão em 2,0atm e aquece-se o gás. 4 1, ,5 6, ,0 2, ) Um gás está contido num recipiente provido de um êmbolo móvel, ocupando um volume de 8,0 litros e submetido a uma pressão de 9 atmosferas. Se o gás for comprimido para um volume de 2,0 litros sem que sua temperatura seja alterada, qual será o valor da pressão nesse novo estado? Indique seus cálculos de maneira clara e organizada. Volume e pressão são inversamente proporcionais. Se o volume foi reduzido para um quarto de seu valor original, então a pressão ficará quatro vezes maior. Pressão final = 4 x 9,0 atm = 36 atm 22) Um gás está contido num recipiente provido de um êmbolo móvel, ocupando um volume de 1,5 litro e submetido a uma temperatura de 27 o C. Qual deverá ser a nova temperatura do gás para que o volume ocupado por ele na mesma pressão seja de 3,0 litros? Indique seus cálculos de maneira clara e organizada. T1 = = 300 K T2 =? 1,5 litro 300 K 3,0 litros T2 T2 x 1,5 = 3,0 x 300 T2 = 600 K ou T2 = = 327 C (Conversão das temperaturas para a escala Kelvin.)

7 23) Um gás está confinado em um recipiente indeformável, de volume constante. Em um estado inicial, esse gás tem pressão de 10 atm e temperatura de 127 C. Aquecendo-se o gás, a temperatura dele passa para 227 C. Nesse novo estado, qual será o valor da nova pressão do gás? Faça seus cálculos de maneira clara e organizada. T1 = = 400 K T2 = = 500 K 10 atm 400 K p K p 2 x 400 = 10 x 500 p 2 x 400 = 5000 p 20 = 5000/400 p 2 12,5 atmosferas. (Conversão das temperaturas) 24) Abaixo são descritos procedimentos feitos em amostras de gases de comportamento ideal. Escreva nos parênteses que aparecem ao lado de cada procedimento se ele corresponde a um transformação ISOTÉRMICA, ISOBÁRICA, ISOVOLUMÉTRICA ou se NÃO HÁ TRANSFORMAÇÃO nenhuma. a) ( isovolumétrica ) Coloca-se um gás em um recipiente fechado. O gás então é aquecido enquanto o recipiente impede que o gás se expanda. b) ( não há transformação) Coloca-se um gás em um cilindro provido de um êmbolo que pode moverse livremente. O cilindro é então colocado em um ambiente onde a pressão permanece constante. c) ( isobárica) Coloca-se um gás em um cilindro provido de êmbolo que pode mover-se livremente. O gás é então aquecido muito lentamente, enquanto o volume do gás aumenta. d) ( isotérmica) Coloca-se o gás em um recipiente provido de um êmbolo móvel. O êmbolo é então pressionado muito lentamente, de forma que o gás esteja sempre em equilíbrio térmico com o ambiente. Capacidade térmica e calor específico 25) Explique o que é capacidade térmica. 26) Explique o que é calor específico.

8 27) Um objeto de 200 g, feito inteiramente de um mesmo material, ao receber 400 cal de calor, sofre um aumento de temperatura, passando de 18 C para 34 C. Baseando-se nos conceitos de capacidade térmica e de calor específico, responda as questões a seguir. a) Calcule a capacidade térmica desse objeto. b) Explique o significado do valor calculado por você no item anterior. c) Calcule o calor específico do material do qual esse objeto é feito. d) Explique o significado do valor calculado por você no item anterior. 28) Um objeto tem capacidade térmica de 300 cal/ C. a) Calcule a quantidade de calor que esse objeto precisa receber para que sofra um aumento de 15 C em sua temperatura. b) Qual seria o aumento de sua temperatura se ele recebesse 1500 cal de calor? Indique seus cálculos.

9 29) Sabe-se que o alumínio tem calor específico de 0,22 cal/g C. Calcule a quantidade de calor que um objeto de 40 gramas, feito desse material, precisaria receber para que sua temperatura passasse de 20 C para 28 C. 30) Dois objetos, A e B, são feitos do mesmo material. Sabe-se que a massa do objeto A é maior do que a massa do objeto B. a) A capacidade térmica de A é maior, menor ou igual à capacidade térmica de B? Justifique. b) O calor específico de A é maior, menor ou igual ao calor específico de B? Justifique. c) Para fazer com que os dois objetos sofram o mesmo aumento de temperatura, deve-se fornecer ao objeto A uma quantidade de calor maior, menor ou igual à quantidade de calor a ser fornecida ao objeto B? Explique. 31) Um estudante desejava determinar o calor específico de um certo material. Para isso, ele tomou um calorímetro de capacidade térmica desprezível (calorímetro ideal) e colocou nele 300 g de água, certificando-se que a temperatura inicial da água e do calorímetro era de 15 C. Em seguida, ele tomou um bloquinho de 40 g feito do tal material e o aqueceu até a temperatura de 95 C, colocando-o, em seguida, dentro do calorímetro. Após algum tempo, ele notou que o termômetro do calorímetro indicava que a temperatura havia parado de subir e se estabilizara em uma temperatura final de 20 C. Calcule o calor específico do calorímetro. Lembrete: c água = 1,0 cal/g C.

10 32) Um estudante desejava determinar o calor específico de um certo material. Para isso, ele tomou um calorímetro de capacidade térmica C = 40 cal/ C e colocou nele 200 g de água, certificando-se que a temperatura inicial da água e do calorímetro era de 20 C. Em seguida, ele aqueceu 80 g de pequenas esferas do referido material até a temperatura de 88 C e as colocou dentro do calorímetro. Após algum tempo, ele notou que o termômetro do calorímetro indicava que a temperatura havia parado de subir e se estabilizara em uma temperatura final de 28 C. a) Calcule a quantidade de calor absorvido pela água. Considere o calor específico da água como 1,0 cal/g C. b) Calcule a quantidade de calor absorvido pelo calorímetro. c) Calcule o calor específico do material que o estudante investigava. Dê a resposta com duas casas decimais. As questões a seguir se referem às leis da termodinâmica e ao funcionamento das máquinas térmicas. 33) Escreva no quadro abaixo a equação da 1 a lei da termodinâmica e indique o que significa cada um dos termos da equação. U: Q: T:

11 34) Considerando a 1 a lei da termodinâmica, responda: a) Em que situações U é positivo? b) Em que situações U é negativo? c) Em que situações U é nulo? d) Em que situações Q é positivo? e) Em que situações Q é negativo? f) Em que situações Q é nulo? g) Em que situações T é positivo? h) Em que situações T é negativo? i) Em que situações T é nulo? 35) Um gás, preso em um recipiente provido de um êmbolo móvel, recebe 1000 Joules de calor e realiza 200 Joules de trabalho em uma expansão isobárica. A variação de sua energia interna será de: A) 200 Joules B) 800 Joules C) +200 Joules D) +800 Joules 36) Considerando a 1 a lei da termodinâmica, é correto afirmar que numa transformação isobárica, se o gás perder calor para o ambiente, a) sua temperatura diminuirá, a variação de sua energia interna será negativa e o trabalho será negativo. b) sua temperatura diminuirá, a variação de sua energia interna será negativa e o trabalho será positivo. c) sua temperatura diminuirá, a variação de sua energia interna será positiva e o trabalho será negativo. d) sua temperatura aumentará, a variação de sua energia interna será positiva e o trabalho será positivo. 37) Uma certa quantidade de gás está confinada em um recipiente provido de êmbolo móvel (recipiente 1). Uma mesma quantidade do mesmo tipo de gás está presa em um outro recipiente (recipiente 2), cujo volume não varia. Em ambos os recipientes, a temperatura inicial do gás é a mesma. Fornecendo quantidades iguais de calor aos gases nos dois recipientes, observa-se que o gás do recipiente 1 sofre uma transformação isobárica, enquanto o gás do recipiente 2 sofre uma transformação isovolumétrica. A variação da temperatura dos gases nos dois recipientes será a mesma? Explique com detalhes, baseando sua resposta na 1 a lei da termodinâmica. 38) Explique a transformação adiabática.

12 39) No quadro a seguir são apresentadas algumas transformações de gases. Preencha o quadro, dizendo se a) a energia interna do sistema AUMENTOU, DIMINUIU ou NÃO SE ALTEROU. b) o calor foi ABSORVIDO pelo gás, LIBERADO pelo gás ou se NÃO HOUVE transferência de calor. c) o trabalho realizado foi POSITIVO, NEGATIVO OU NULO. Transformação Energia interna Calor Trabalho expansão isobárica esfriamento isovolumétrico expansão adiabática expansão isotérmica aquecimento isovolumétrico compressão isobárica compressão adiabática compressão isotérmica 40) Explique, rapidamente, as 4 etapas do funcionamento de um motor de combustão interna (motor de 4 tempos), como, por exemplo, um motor a gasolina usado na maioria dos carros. Admissão: Compressão: Explosão ou combustão: Descarga ou exaustão: 41) Considerando o mesmo motor da questão anterior, é correto afirmar que a etapa em que ocorre uma transformação adiabática nele é a etapa da: a) admissão (da mistura ar+combustível). b) compressão (da mistura ar+combustível) c) explosão (da mistura ar+combustível) d) descarga ou exaustão (da fumaça) 42) A figura ao lado mostra o esquema de um cilindro de motor de 4 tempos tradicional (com vela de ignição e sem injeção eletrônica). Sobre esse tipo de motor é correto afirmar que ocorre a realização de um trabalho positivo na: a) admissão (da mistura ar+combustível). b) compressão (da mistura ar+combustível) c) explosão (da mistura ar+combustível) d) descarga ou exaustão (da fumaça)

13 43) A 2 a Lei da Termodinâmica afirma que é impossível construir uma máquina térmica que, trabalhando em ciclos, converta em trabalho todo o calor a ela fornecido. Esse fato é facilmente demostrado tanto no motor de combustão interna (como o mostrado na figura da questão anterior) quanto na máquina a vapor de James Watt. Explique por que isso acontece.

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