Física Termologia - UNICAMP - VESTIBULARES DE

Transcrição

1 1. (Unicamp 2016) Um isolamento térmico eficiente é um constante desafio a ser superado para que o homem possa viver em condições extremas de temperatura. Para isso, o entendimento completo dos mecanismos de troca de calor é imprescindível. Em cada uma das situações descritas a seguir, você deve reconhecer o processo de troca de calor envolvido. I. As prateleiras de uma geladeira doméstica são grades vazadas, para facilitar fluxo de energia térmica até o congelador por II. O único processo de troca de calor que pode ocorrer no vácuo é por. III. Em uma garrafa térmica, é mantido vácuo entre as paredes duplas de vidro para evitar que o calor saia ou entre por. Na ordem, os processos de troca de calor utilizados para preencher as lacunas corretamente são: a) condução, convecção e radiação. b) condução, radiação e convecção. c) convecção, condução e radiação. d) convecção, radiação e condução. 2. (Unicamp 201) Alguns experimentos muito importantes em física, tais como os realizados em grandes aceleradores de partículas, necessitam de um ambiente com uma atmosfera extremamente rarefeita, comumente 6 denominada de ultra-alto-vácuo. Em tais ambientes a pressão é menor ou igual a 10 Pa. a) Supondo que as moléculas que compõem uma atmosfera de ultra-alto-vácuo estão distribuídas uniformemente no espaço e se comportam como um gás ideal, qual é o número de moléculas por unidade de volume em uma atmosfera cuja pressão seja 8 P,2 10 Pa, à temperatura ambiente T 00K? 2 de Avogrado NA 6 10 e a Constante universal dos gases ideais R 8 / molk. Se necessário, use: Número b) Sabe-se que a pressão atmosférica diminui com a altitude, de tal forma que, a centenas de quilômetros de altitude, ela se aproxima do vácuo absoluto. Por outro lado, pressões acima da encontrada na superfície terrestre podem ser atingidas facilmente em uma submersão aquática. Calcule a razão Psub P nave entre as pressões que devem suportar a carcaça de uma nave espacial (P nave ) a centenas de quilômetros de altitude e a de um submarino (P sub ) a 100m de profundidade, supondo que o interior de ambos os veículos se encontra à pressão de 1atm. Considere a densidade da água como ρ 1000kg / m. TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: Recentemente, uma equipe de astrônomos afirmou ter identificado uma estrela com dimensões comparáveis às da Terra, composta predominantemente de diamante. Por ser muito frio, o astro, possivelmente uma estrela anã branca, teria tido o carbono de sua composição cristalizado em forma de um diamante praticamente do tamanho da Terra.. (Unicamp 201) Os cálculos dos pesquisadores sugerem que a temperatura média dessa estrela é de 24 M 6,0 10 kg constituída de um Ti C. Considere uma estrela como um corpo homogêneo de massa material com calor específico c ela atinja uma temperatura final de Tf a) b) c) d) 24,0 10 k. 6,0 10 k. 8,1 10 k. 2,1 10 k. 0, k / (kg C). A quantidade de calor que deve ser perdida pela estrela para que 700 C é igual a Página 1 de 7

2 4. (Unicamp 2014) Existem inúmeros tipos de extintores de incêndio que devem ser utilizados de acordo com a classe do fogo a se extinguir. No caso de incêndio envolvendo líquidos inflamáveis, classe B, os extintores à base de pó químico ou de dióxido de carbono (CO2) são recomendados, enquanto extintores de água devem ser evitados, pois podem espalhar o fogo. a) Considere um extintor de CO2 cilíndrico de volume interno V = 1800 cm que contém uma massa de CO2 m = 6 kg. Tratando o CO2 como um gás ideal, calcule a pressão no interior do extintor para uma temperatura T = 00 K. Dados: R = 8, /mol K e a massa molar do CO2 M = 44 g/mol. b) Suponha que um extintor de CO2 (similar ao do item a), completamente carregado, isolado e inicialmente em repouso, lance um jato de CO2 de massa m = 0 g com velocidade v = 20 m/s. Estime a massa total do extintor m EXT e calcule a sua velocidade de recuo provocada pelo lançamento do gás. Despreze a variação da massa total do cilindro decorrente do lançamento do jato.. (Unicamp 2014) a) Segundo as especificações de um fabricante, um forno de micro-ondas necessita, para funcionar, de uma potência de entrada de P = 1400 W, dos quais 0% são totalmente utilizados no aquecimento dos alimentos. Calcule o tempo necessário para elevar em Δθ 20 C a temperatura de m = 100 g de água. O calor específico da água é ca 4,2 / g C. b) A figura abaixo mostra o esquema de um forno de micro-ondas, com 0 cm de distância entre duas de suas paredes internas paralelas, assim como uma representação simplificada de certo padrão de ondas estacionárias 8 em seu interior. Considere a velocidade das ondas no interior do forno como c 10 m / s e calcule a frequência f das ondas que formam o padrão representado na figura. 6. (Unicamp 201) A boa ventilação em ambientes fechados é um fator importante para o conforto térmico em regiões de clima quente. Uma chaminé solar pode ser usada para aumentar a ventilação de um edifício. Ela faz uso da energia solar para aquecer o ar de sua parte superior, tornando-o menos denso e fazendo com que ele suba, aspirando assim o ar dos ambientes e substituindo-o por ar vindo do exterior. a) A intensidade da radiação solar absorvida por uma placa usada para aquecer o ar é igual a 400 W/m 2. A energia absorvida durante 1,0 min por uma placa de 2 m 2 é usada para aquecer 6,0 kg de ar. O calor específico do ar é c Qual é a variação de temperatura do ar nesse período? kg C b) A densidade do ar a 290 K é ρ 1,2 kg/m. Adotando-se um número fixo de moles de ar mantido a pressão constante, calcule a sua densidade para a temperatura de 00 K. Considere o ar como um gás ideal. 7. (Unicamp 201) Pressão parcial é a pressão que um gás pertencente a uma mistura teria se o mesmo gás ocupasse sozinho todo o volume disponível. Na temperatura ambiente, quando a umidade relativa do ar é de 100%, a pressão parcial de vapor de água vale,0 10 Pa. Nesta situação, qual seria a porcentagem de moléculas de água no ar? Dados: a pressão atmosférica vale 1,0 10 Pa; considere que o ar se comporta como um gás ideal. a) 100%. b) 97%. c) %. d) %. Página 2 de 7

3 8. (Unicamp 2012) Os balões desempenham papel importante em pesquisas atmosféricas e sempre encantaram os espectadores. Bartolomeu de Gusmão, nascido em Santos em 168, é considerado o inventor do aeróstato, balão empregado como aeronave. Em temperatura ambiente, Tamb 00 K, a densidade do ar atmosférico vale ρamb 1,26 kg/m. Quando o ar no interior de um balão é aquecido, sua densidade diminui, sendo que a pressão e o volume permanecem constantes. Com isso, o balão é acelerado para cima à medida que seu peso fica menor que o empuxo. a) Um balão tripulado possui volume total 6 V,0 10 litros. Encontre o empuxo que atua no balão. b) Qual será a temperatura do ar no interior do balão quando sua densidade for reduzida a ρquente 1,0 kg/m? Considere que o ar se comporta como um gás ideal e note que o número de moles de ar no interior do balão é proporcional à sua densidade. 9. (Unicamp 2012) Em 201, estima-se que o câncer será responsável por uma dezena de milhões de mortes em todo o mundo, sendo o tabagismo a principal causa evitável da doença. Além das inúmeras substâncias tóxicas e cancerígenas contidas no cigarro, a cada tragada, o fumante aspira fumaça a altas temperaturas, o que leva à morte células da boca e da garganta, aumentando ainda mais o risco de câncer. 4 a) Para avaliar o efeito nocivo da fumaça, N0 9,0 10 células humanas foram expostas, em laboratório, à fumaça de cigarro à temperatura de 72ºC, valor típico para a fumaça tragada pelos fumantes. Nos primeiros instantes, o 2t número de células que permanecem vivas em função do tempo t é dado por N(t) N0 1, onde τ é o tempo τ necessário para que 90% das células morram. O gráfico abaixo mostra como varia com a temperatura θ. Quantas células morrem por segundo nos instantes iniciais? b) A cada tragada, o fumante aspira aproximadamente mililitros de fumaça. A fumaça possui uma capacidade calorífica molar C 2 e um volume molar de 28 litros/mol. Assumindo que a fumaça entra no corpo K mol humano a 72ºC e sai a 7ºC, calcule o calor transferido ao fumante numa tragada. TEXTO PARA AS PRÓXIMAS 2 QUESTÕES: 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. 10. (Unicamp 2011) 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. Página de 7

4 Segundo essa figura, pode-se 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. 11. (Unicamp 2011) Considere que o calor específico de um material presente nas cinzas seja c = 0,8 /g 0 C. Supondo que esse material entra na turbina a 20 0 C, a energia cedida a uma massa m = g do material para que ele atinja uma temperatura de C é igual a a) 220. b) c) d) (Unicamp 2010) A Lua não tem atmosfera, diferentemente de corpos celestes de maior massa. Na Terra, as condições propícias para a vida ocorrem na troposfera, a camada atmosférica mais quente e densa que se estende da superfície até cerca de 12 km de altitude. a) A pressão atmosférica na superfície terrestre é o resultado do peso exercido pela coluna de ar atmosférico por unidade de área, e ao nível do mar ela vale P 0 = 100 kpa. Na cidade de Campinas, que está a 700 m acima do nível do mar, a pressão atmosférica vale P 1 = 94 kpa. Encontre a densidade do ar entre o nível do mar e a altitude de Campinas, considerando-a uniforme entre essas altitudes. b) Numa viagem intercontinental um avião a jato atinge uma altitude de cruzeiro de cerca de 10 km. Os gráficos a seguir mostram as curvas da pressão (P) e da temperatura (T) médias do ar atmosférico em função da altitude para as camadas inferiores da atmosfera. Usando os valores de pressão e temperatura desses gráficos e considerando que o ar atmosférico se comporta como um gás ideal, encontre o volume de um mol de ar a 10 km de altitude. A constante universal dos gases é R = 8,. mol K Página 4 de 7

5 Gabarito: Resposta da questão 1: [D] [I] Convecção. Nas antigas geladeiras, as prateleiras são grades vazadas para que o ar frio (mais denso), desça, enquanto o ar quente (menos denso) suba. Nas modernas geladeiras, existe o dispositivo que injeta ar frio em cada compartimento, não mais necessitando de grades vazadas. [II] Radiação. Esse processo se dá através da propagação de ondas eletromagnéticas, não havendo movimento de massa, ocorrendo, portanto, também no vácuo. [III] Condução. Na verdade, condução e convecção que são os processos que movimentam massa. Resposta da questão 2: 2 8 a) Dados: NA 610 ; P,2 10 Pa; T 00 K; R 8 /mol K. Sendo n o número de mols, o número de partículas (N) é: N N n N A n. N Aplicando a equação de Clapeyron: A N 2 8 A P N N 6 10,2 10 n RT P V R T P V NA V R T 8 00 N moléculas. V m 2 b) Dados: pint p0 1 atm; ρ 10 kg/m ; h 100 m; g 10 m/s. A pressão suportada pela carcaça é o módulo da diferença entre as pressões externa e interna. Assim: ρ ρ P P P P g h P P g h sub ext int 0 0 sub sub P Pa. P P P P 0 P 1 atm P 10 Pa. nave int ext 0 nave nave P P sub nave Psub P nave Resposta da questão : [B] 24 Q M c Δθ 610 0, Q 6 10 k. Resposta da questão 4: a) Dados: V cm 1,8 10 m ; m 6 kg 610 g; M 44 g / mol; R 8, / mol K; T 00 K. Da equação de Clapeyron: m m R T , 00 p V R T p M V M 1, p 1,89 10 N/m. Página de 7

6 b) Dados: m = 0 g; v = 20 m/s. Estimando a massa do extintor: M ext = 10 kg = g. Como se trata de um sistema mecanicamente isolado ocorre conservação do momento linear. Assim, em módulo: mv 0 20 Mext V m v V V 0,1 m/s. Mext Resposta da questão : a) Dados: P 1.400W; η 0% 0,; Δθ 20 C; m 100g; ca 4,2 / g C. Calculando a potência útil: P η P 0, P 700 W. U T U Da expressão da potência térmica: Q Q mca Δθ 100 4,2 20 P U Δt Δt Δt P P 700 Δt 12 s. U U 8 b) Dados: L = 0 cm; v c 10 m / s Observando a figura dada, concluímos que entre as paredes cabem 2, comprimentos de onda. Assim: 0 2 2, λ L λ λ 12 cm m. 2, Da equação fundamental da ondulatória: 8 v v λ f f 0,2 10 Hz 2, 10 Hz λ f 2, GHz. Resposta da questão 6: a) Dados: I = 400 W/m 2 ; A = 2 m 2 ; Δt = 1 min = 60 s. Calculando a quantidade de calor absorvida e aplicando na equação do calor sensível: Q I A Δt Q Q Q m c Δθ Δθ m c Δθ 8 C. b) Dados: T1 = 290 K; T 2 = 00 K; ρ 1 = 1,2 kg/m. Sendo a pressão constante, da equação geral dos gases: V1 V2 m m ρ1 T1 1,2 290 ρ2 T T ρ T ρ T T 00 ρ ,16 kg / m. Resposta da questão 7: [D] Página 6 de 7

7 P P.10 r P T r % Resposta da questão 8: 6 2 a) Dados: V 10 L 10 m ; g 10 m / s ; ρamb 1,26 kg / m. Da expressão do empuxo: 4 E ρamb V g 1, E,78 10 N. b) Dados: ρ amb 1,26 kg / m ; ρquente 1,0 kg / m ; Pquente P amb; Vquente V amb. Da equação de Clapeyron: PV PV nrt R (cons tan te). nt Então: Pquente Vquente Pamb Vamb nquentetquente nambt amb n T n T quente quente nquente namb Tamb. Tquente amb amb Mas o enunciado afirma que o número de mols de ar no interior do balão é proporcional à sua densidade. Então: nquente ρquente Tamb 1,0 00 1,26 00 T quente n ρ T 1,26 T 1,0 amb amb quente quente Tquente 60 K. Resposta da questão 9: a) Dado: N0 = Do gráfico, para θ 72 C τ s; t 1 s. Aplicando a expressão fornecida no enunciado, calculamos o número de células que permanecem vivas nos primeiros instantes. 2t 4 2(1) N(t) N ,6 N(t), τ O número de células que morrem (N (t)) é: N'(t) N0 N(t) 9,0 10,4 10 N'(t),6 10. b) Dados: V ml 10 L; Vmolar 28 L / mol; Δθ 72 7 C; C 2. K mol Calculando o número de mols: 28 L 1 mol 10 n n 1,2 10 mol. 10 n mol 28 A quantidade de calor transferid Página 7 de 7