Física Unidade VI Termofísica Série 4 - Calor provocando mudanças de estado físico

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1 01 De acordo com o enunciado: na etapa I do processo de liofilização, a água contida no alimento é solidificada. Sendo assim, ela passa do estado líquido ao estado sólido, representado no diagrama de fases pela seta 2. na etapa II, a água sólida é sublimada. Dessa maneira, ela passa do estado sólido ao estado de vapor, representado no diagrama de fases pela seta 3. Em resumo, tem-se: Etapa I: seta 2 Etapa II: seta 3 Resposta: C 1

2 02 Durante a evaporação, a água recebe energia solar e cede parte dessa energia para o plástico, onde ocorre a condensação do vapor. A energia cedida ao plástico provoca o aumento em sua temperatura. Nessa circunstância, haverá transferência de energia do plástico para o meio externo. Resposta: D 2

3 03 Segundo o enunciado, a substância se encontra no estado sólido na temperatura T 0 recebe calor até atingir a temperatura T f na qual a substância se encontra no estado de vapor. Analisando o gráfico, observa-se que nas temperaturas T 1 e T 2 ocorrem mudanças de estado, pois a temperaturas permanecem constantes durante a transição. A sequência de mudança de estado é do estado sólido para o estado líquido e, finalmente, para o estado de vapor. Assim, T 1 corresponde à temperatura de fusão, e T 2, à de vaporização. Durante o intervalo X ocorre a fusão, logo, coexistem no mesmo os estados sólido e líquido. Já no intervalo Y ocorre a vaporização, portanto coexistem nele os estados líquido e de vapor. Assim estão corretas as afirmações I e II. Resposta: D 3

4 04 Do enunciado, sabe-se que os objetos têm massas iguais. O calor específico é calculado por: Q c = m θ Observa-se que, para uma mesma quantidade de calor recebida, a variação de temperatura de R é menor que a variação do objeto S. Assim, conclui-se que c R > c S. Q c = m θ m R = m S Q = Q θ < θ R S R S c R > c S Pelo gráfico, verifica-se também que, para a fusão dos materiais, a quantidade de calor necessária para fundir o objeto R é menor que a quantidade para fundir o objeto S. O calor latente de fusão é calculado por: Q L = m Como os objetos têm a mesma massa, conclui-se que L R < L S. Q L = m m R = m Q R < Q S S L R < L S Resposta: C 4

5 05 Sabendo que as substâncias têm massas iguais, a partir do gráfico observa-se que: Q > Q m L > m L L > L vaporização B vaporização C vb vc vb vc Resposta: D 5

6 06 (01) Correta. Os materiais, em seus diferentes usos, podem ser submetidos a diferentes variações de temperatura; assim, é importante saber qual a quantidade de energia necessária para que ocorra mudança de estado. (02) Correta. Por exemplo, a temperatura de ebulição da água ao nível do mar (1 atm) é 100 o C, enquanto em regiões de maior altitude (menor pressão atmosférica) a temperatura de ebulição da água é menor. (04) Correta. Para que uma substância pura, submetida à pressão constante, mude de estado físico, é necessário que ela ganhe ou perca energia em forma de calor. (08) Correta. A evaporação ocorre num líquido quando moléculas com maior energia cinética passam para a fase gasosa. Logo, com o aumento de temperatura, as moléculas terão maior energia cinética média, aumentando a proporção de moléculas com energia suficiente para passar para a fase gasosa. Soma = 15 ( ) Resposta: 15 6

7 07 Analisando o gráfico, observa-se que, ao receber 100 cal, a substância no estado líquido sofre uma variação de temperatura de 80 C. Usando a expressão para calor sensível, tem-se: Q 100 C = C = C = 1,25 cal/ θ 80 Na vaporização, a substância recebe 100 cal. Usando a expressão para calor latente, tem-se: Q 100 L = L = L = 100 cal/kg m 1 Resposta: A 7

8 08 Para vaporizar a água, inicialmente no estado líquido, é necessário fornecer energia para elevação da temperatura até ao ponto de vaporização e também para mudança de estado. Assim: Q = m c θ + m L Q = 0, ( ) + 0, Q = 1 274,65 kj Q kj Resposta: B 8

9 09 a) Do gráfico: Q L = J Logo: L Q m 0,5 4 L = = L = J/kg b) Considerando o trecho do gráfico entre 10 ºC e 0 ºC: Q = J Assim: = 0,5 c 10 c = J/(kg ºC) Respostas: a) L = J/kg b) c = J/(kg C) 9

10 10 Durante o aquecimento: Q m c θ = = t t 100 0, = t t = 39 s Usando o intervalo de tempo total: Q = t total total Q 100 = Q = J 64 Resposta: D 10

11 11 No intervalo de 0 a 5 min, ocorre a elevação da temperatura da massa m de água. Q = m c θ Q = m 1 ( ) Q = 81 m Entre 5 min e 10 min, ocorre a vaporização de parte da água, ou seja, m vaporizada = m. Q' = m' L Q' = m' 540 Q' = 540 m' Como a boca do fogão emite calor a uma taxa constante, tem-se: Q' Q 540 m' 81 m m' 81 = = = t' t 5 5 m 540 m' m' = 0,15 (%) = 15% m m Resposta: 15% 11

12 12 Cálculo da massa de água: m d = m = d V m = 1 0,5 m = 0,5 kg m = 500 g V a) A quantidade de calor cedida para a água é assim obtida: Q = m c θ Q = ( ) Q = cal b) Cálculo da massa de água que foi vaporizada. Das cal que foram fornecidas, cal foram usadas para a elevação de temperatura, e cal restantes foram utilizadas para vaporizar parte da água. Assim Q = m' L = m' 540 m' = 200 g Portanto, a massa de água no estado líquido restante é: m L = m m m L = m L = 300 g = 0,3 kg Como a densidade da água é 1 kg/l, o volume de água que restou para o preparo do café é 0,3 L. Respostas: a) Q = 37,5 kcal b) V = 0,3 L 12

13 13 Analisando o gráfico, observa-se que no intervalo de 25 s ocorre a variação de temperatura de 10 C. Como a transformação é linear, essas grandezas são diretamente proporcionais; então: 25 s s θ θ = θ 10 = 54 θ = Para derreter a mesma quantidade de gelo, a energia necessária é: Q = m L Q = Q = cal Para a elevação de temperatura em 10 C, a energia necessária é: Q = m c θ Q = Q = cal Como a fonte libera energia a potência constante, tem-se: 25 s cal t cal t = t = 200 s Resposta: A 13

14 14 a) A quantidade total de calor latente fornecida à substância é assim obtida: Q = m L fusão + m L vaporização Q = Q = cal = 7 kcal b) A quantidade total de calor fornecida à substância para que atinja a temperatura desejada é assim obtida: Q = m c sól θ + m L fusão + m c líq θ + m L vap + m c gas θ Q = [5 ( 1)] ,8 (80 5) ,5 (100 80) Q = cal = 27,4 kcal c) O gráfico de temperatura versus energia é o seguinte: Respostas: a) 7 kcal b) 27,4 kcal c) Gráfico acima. Observação: Desconsidere o gabarito do item c dado para esta questão no Caderno de Exercícios e considere a resposta acima. 14

15 15 Pelo enunciado, a esfera C derrete a maior quantidade de gelo, enquanto a esfera A derrete a menor quantidade de gelo. Então: Q C > Q B > Q C Como m A = m B = m C = m e, todas têm a mesma variação de temperatura ( θ = 100 0), tem-se: Q C > Q B > Q C m c C θ > m c B θ > m c A θ c C > c B > c A Resposta: A 15

16 16 Da figura: V Cu < V All. Do enunciado: m Cu = m Al. Como m d =, temos: d Cu > d Al V Note que o bloco de alumínio conseguiu derreter maior volume de água que o cobre. Logo, Q Al > Q Cu. Como Q = m c θ, temos: m c A l θ > m c θ c > c ou c < c Cu Al Cu Cu Al Resposta: B 16

17 17 Pelo enunciado, a quantidade de calor liberado na condensação é usada para aquecer certa quantidade de água, assim: Q água água água água = Q vapor m c θ = m L ( ) vapor m = m = 540 g Resposta: A 17

18 18 a) Pelo gráfico, quando o corpo, na fase sólida, recebe Q = 400 cal, sua temperatura varia de 0 para 40 ºC, ou seja, T = 40 ºC. Como a massa do corpo é m = 100 g, o calor específico c s do corpo, na fase sólida, pode ser calculado como segue: Q = m c s T 400 = 100 c s 40 c s = 0,1 cal/(g ºC) Analogamente, quando o corpo recebe Q = = 400 cal, sua temperatura varia de 40 ºC para 60 ºC, ou seja, T = 20 ºC. Logo, o calor específico c l do corpo, na fase líquida, pode ser calculado como segue: Q = m c l T 400 = 100 c l 20 c l = 0,2 cal/(g ºC) b) Observando-se o gráfico, é imediato concluir que a temperatura de fusão é 40 ºC. Nessa temperatura, o corpo recebe Q = = 400 cal para fundir-se totalmente. Logo, o calor latente de fusão L fusão pode ser assim calculado: Q = m L fusão 400 = 100 L fusão L fusão = 4 cal/g Respostas: a) c sól. = 0,1 cal/(g o C); c líq. = 0,2 cal/(g o C) b) T fusão = 40 o C; L fusão = 4 cal/g Observação: Desconsidere o gabarito dado para esta questão no Caderno de Exercícios e considere a resposta acima. 18

19 19 Pela análise do gráfico, observa-se que quando a substância atinge a temperatura de 30 C, ela continua cedendo calor sem haver mudança de temperatura. Portanto, ela está mudando do estado líquido para o estado sólido. Nessa transição, ela cede 30 cal de calor; assim: Q = m L 30 = 30 L L = 1 cal/g solidificação solidificação Resposta: B 19

20 20 m d = m = d V m = 1 kg/l 1 L m = 1 kg m = g V a) A quantidade de calor para que a água atinja T = 100 C é dada por: Q = m c θ Q = (100 25) Q = cal Q = ,2 = J Pelo enunciado, tem-se: V Q V P = t = 315 s R t = R t = 12,1 b) A quantidade de calor para vaporizar a água completamente é dada por: Q = m L Q = Q = cal Q = ,2 = J Pelo enunciado, tem-se: V Q V P = t = 2268 s R t = R t = 12,1 O tempo, desde o início até a completa vaporização da água, é de: t = t = s c) O gráfico de temperatura versus tempo é o seguinte: Respostas: a) t = 315 s; b) t = s; c) Gráfico acima. Observação: Desconsidere o gabarito dado para os itens b e c desta questão no Caderno de Exercícios e considere a resposta acima. 20

21 21 a) Cálculo da área da tampa: A = 0,4 m 0,5 m A = 0,2 m 2 A partir da potência solar incidente na Terra (1 kw/m 2 ), tem-se: 0,2 m 2 1 m 1 kw 2 = 0,2 kw b) A quantidade de energia (ε) necessária para aquecer a água no interior da panela é dada por: ε = m c θ Fazendo as devidas substituições numéricas, temos: ε = (100 25) ε = J c) A quantidade de energia (ε ) para aquecer a água até 100 ºC e para que se evapore 1 3 da massa é: ε = ε AQ. + ε VAP m L ε = ε= J Uma vez que a potência ( ) é dada por tem-se: = t t = s = ε e seu valor é 200 W, t Respostas: a) = 200 W b) ε = J c) t = s 21

22 22 Cálculo da massa de água: m d = m = d V m = 1 kg/l 2 L m = 2 kg m = 2000 g V A partir dos dados do enunciado. tem-se: Q (0,2 m c θ + 0,2 m L) 4,2 0,8 = 0,8 = t t ( ) , ,2 0,8 420 = t t = 4700 s t = 1h 18min 20s Resposta: B 22

23 23 A partir dos dados, tem-se: ε m V c = Q = m c θ + m L F V = 2 c θ + LF 2 5 V = [1 538 ( 125)] + 2,89 10 = ( ) 2 V V 1440 m/s ou V 5184 km/h Resposta: C Observações: Desconsidere o gabarito dado para esta questão no Caderno de Exercícios e considere a resposta acima. 23

24 24 Cálculo da massa de alumínio: m Massa molar = m = Massa molar nº de mols m = 27 1 m = 27 g o n mols Para elevação da temperatura até a temperatura de fusão, a energia necessária é calculada por: Q = m c θ Q = 27 0,9 ( ) Q = J Q = 15,43 kj A entalpia de fusão é a energia necessária para fundir um mol de alumínio, assim: Q total = 15, ,7 Q total = 26,13 kj Resposta: B 24

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