Questões Comentadas do Curso de Férias 2014 Ciências da Natureza Física Professor Vasco Vasconcelos Calor e Fenômenos Térmicos

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1 Questões Comentadas do Curso de Férias 2014 Ciências da Natureza Física Professor Vasco Vasconcelos Calor e Fenômenos Térmicos 1. O livro Fahrenheit 451, do escritor Ray Bradbury, e considerado uma obra clássica da literatura de ficção científica. Fala sobre um regime de governo autoritário que não permite o acesso da população aos livros, que costumam ser queimados quando encontrados pela polícia. O título refere-se exatamente à temperatura em que o papel entra em combustão. Logo, essa temperatura em Kelvin deve ser, aproximadamente, a) 273 K b) 506 K c) 601 K d) 724 K e) 971 K = 2735 TK 273 = Tk 506 k Gabarito: b 2. Para medir a febre de pacientes, um estudante de medicina criou sua própria escala linear de temperaturas. Nessa nova escala, os valores de O (zero) e 10 (dez) correspondem, respectivamente, a 37 C e 40 C. A temperatura de mesmo valor numérico em ambas as escalas é aproximadamente: a) 52,9 ºC b) 28,5 ºC c) 74,3 ºC d) - 8,5 ºC e) - 28,5 ºC Solução: o A o C T T 0 37 T = T T 370 = 3T 7T = 370 T 52,9º C Gabarito: a 3. O fabricante de uma bolsa térmica à base de gel informa que é necessário que a bolsa fique 8,0 minutos imersa em água fervente para atingir a temperatura de 60 ºC. Considerando a capacidade térmica da bolsa igual a 300 cal/ºc e a temperatura inicial

2 de 20 ºC, é correto afirmar que a taxa média de absorção de calor pela bolsa nesse processo, em cal/min, é igual a a) b) c) d) e) Solução: Na presente questão uma boa análise dimensional no ajudará bastante no lembrete da fórmula. Da unidade dada pra capacidade térmica só podemos deduzir que a fórmula associada à Δ (cal/ o C) 40 Q = cal Fazendo outra análise dimensional na expressão taxa média de absorção, chegamos à Δ φ = φ = 1500 cal/min.gabarito: d 4. Uma placa de 2,0 m 2 de um aquecedor solar é capaz de gerar 19,4 x10 6 J de calor ao longo de um dia ensolarado. Se o calor específico da água for igual a 4190 J/kg.K, qual será o número mínimo de placas necessárias para elevar, até o final do dia, a temperatura de 1000 litros de água de 22 o C para 60 o C, que está armazenada em um reservatório ideal? a) 1 b) 5 c) 7 d) 9 e) 10 Solução: Após lermos o enunciado vemos que para determinar o número mínimo de placas envolvidas nesse aquecimento teremos que usar uma regra de três, mas para isso precisamos antes determinar a quantidade de calor envolvida no processo descrito. Sabendo-se que 1 litro de água tem 1kg de massa, temos: Q = 1000x 4190x38 = 4,19 x 38 x 10 6 J. Portanto, se: 1 placa ,4 x 10 6 J n placas ,19 x 38 x 10 6 J n 9 placas Gabarito: d 5.Uma cozinheira aquece 800 ml de água para o preparo de um prato mas percebe que a temperatura ultrapassou o valor pretendido, de 45 o C. Para obter água na temperatura desejada, ela acrescenta 400 ml de água à temperatura de 25 o C à primeira porção e, depois de misturá-las, obtém água na temperatura pretendida. Sabendo que o calor específico da água líquida é igual a 1 cal/(g o C) e considerando que ocorreu troca de calor apenas entre as duas porções misturadas, é correto afirmar que a temperatura, em o C, que a primeira porção de água atingiu foi

3 a) 65. b) 75. c) 85. d) 55. e) 95. Solução: Na presente questão temos uma situação de equilíbrio térmico e que pode ser descrito através do seguinte esqueminha: água água 400 ml (400g) 800 ml (800g) 25º C T Te = 45º C 400x 1 x ( 45 25) x 1 x (45 T ) = 0 ( : 800) T = 0 T = 55º C Gabarito: d 6. Um contêiner com equipamentos científicos é mantido em uma estação de pesquisa na Antártida. Ele é feito com material de boa isolação térmica e é possível, com um pequeno aquecedor elétrico, manter sua temperatura interna constante, Ti = 20 C, quando a temperatura externa é Te = 40 C. As paredes, o piso e o teto do contêiner têm a mesma espessura, ε = 26 cm, e são de um mesmo material, de condutividade térmica 3 k = 0,05 J/(s m C). Suas dimensões internas são 2 3 4m. Para essas condições, quanto vale a potência P do aquecedor, considerando ser ele a única fonte de calor? Note e adote: A quantidade de calor por unidade de tempo ( Φ ) que flui através de um material de área A, espessura ε e condutividade térmica k, com diferença de temperatura Δ T entre as faces do material, é dada por: Φ = kaδt / ε. a) 0,6W b) 0,6 KW c) 60 W d) 600 KW e) 6000 KW Solução: A área da superfície interna do contêiner é igual à soma das áreas de suas faces, como cada face é um retângulo temos: 2 ( 3x4 + 3x2 + 2x4) = 52 m 2. A potência do aquecedor é dada pelo fluxo de calor que flui por unidade de tempo, logo: Gabarito: b

4 7. No senso comum, as grandezas físicas calor e temperatura geralmente são interpretadas de forma equivocada. Diante disso, a linguagem científica está corretamente empregada em a) Hoje, o dia está fazendo calor. b) O calor está fluindo do fogo para a panela. c) A temperatura está alta, por isso estou com muito calor. d) O gelo está transmitindo temperatura para água no copo?. e) O melhor do edredom é o calor que ele transmite para o nosso corpo. Solução: a) Falsa, pois calor não é uma sensação térmica. b) Verdadeira, o termo calor foi usado corretamente. c) Falsa, pois calor não é uma sensação térmica. d) Falsa, pois temperatura não é energia em trânsito. e) Falsa, pois a função do edredom é isolar termicamente nosso corpo do ambiente. Gabarito: b 8. Uma atração turística da Áustria é Salzburgo, cidade natal de Mozart, construída na Antiguidade graças às minas de sal. Salzburgo significa castelo do sal, pois nessa cidade está localizada a mina de sal mais antiga do mundo, em atividade desde a Idade do Ferro (1000 a.c.). No passado, o sal era um importante e quase insubstituível conservante alimentar e, além de cair bem ao nosso paladar, ele é uma necessidade vital, pois, sem o sódio presente no sal, o organismo seria incapaz de transmitir impulsos nervosos ou mover músculos, entre eles o coração. (terra.com.br/turismo/roteiros/2000/11/10/009.htm Acesso em: Adaptado) O sal também pode ser obtido da água do mar, processo que ocorre em salinas. Durante a obtenção de sal em uma salina, a) a água sofre evaporação. b) a água sofre sublimação. c) o sal sofre fusão. d) a água e o sal sofrem sublimação. e) a água e o sal sofrem solidificação.

5 Solução: Nas Salinas a obtenção do sal é através da evaporação da água.gabarito: a 9. Contratado para criar a escultura do prefeito de uma pequena cidade, o escultor, na hora de terminar a última parte, o rosto, cometeu um erro que deixou uma pequena rachadura acima da testa da estátua. Como a rachadura não era visível de longe, e o escultor estava com o prazo estourado, deixou assim mesmo. Um dia antes de a estátua ser oficialmente inaugurada, houve uma chuva forte seguida de uma queda brusca na temperatura ambiente, atingindo zero graus Celsius. Quando a comitiva do prefeito chegou a praça, encontraram o rosto da estátua rachado e irreconhecível. Assumindo que a causa esta relacionada com o evento atmosférico mencionado, o que pode ter acontecido? a) O resfriamento da estátua não foi uniforme, e a rachadura permitiu que ocorressem correntes de convecção na pedra, que vieram a rachar a parte mais quente, que era a cabeça. b) A umidade do ar igualou a pressão interna no local da rachadura à pressão atmosférica externa, fazendo com que o rosto fosse esmagado de fora para dentro. c) A água, ao entrar pela rachadura da estatua rapidamente, sofreu processo de sublimação endotérmica, passando do estado liquido para o gasoso, que aqueceu o rosto da estátua. d) A água da chuva infiltrou na estátua e expandiu quando a temperatura baixou dos 4 graus Celsius, rachando a pedra. e) Ao se transformar adiabaticamente em gelo dentro da testa da estátua, a água absorveu calor latente de vaporização e o usou para aquecer o rosto. Solução: O que houve foi uma aplicação prática da dilatação anômala da água, que entre 4 o C e 0 o C sofre uma expansão, fato este que implicou na rachadura da peça. Gabarito: d 10.Uma pessoa deseja soltar uma porca de aço que está enroscada em um parafuso de ferro. Sabendo que o coeficiente de dilatação volumétrica da porca é de 31,5x10-6 ( o C) -1 e do parafuso de 34,2x10-6 ( o C) -1, o que deve fazer essa pessoa para realizar a sua tarefa com mais facilidade? a) Aquecer o conjunto parafuso e porca, pois o parafuso, tendo maior coeficiente de dilatação, vai favorecer a soltura da porca. b) Aquecer só a porca, pois assim o parafuso não vai aquecer, facilitando a soltura da porca. c) Aquecer só o parafuso, pois assim a porca não vai ser aquecida e com isto ficará mais fácil soltar a porca. d) Esfriar o conjunto, pois, tendo o parafuso um maior coeficiente de dilatação, vai permitir que a porca seja solta com mais facilidade. e) Resfriar a porca e, simultaneamente, aquecer o parafuso, provocando um choque térmico que provocará a separação. Solução: Materiais que possuem maior coeficiente de dilatação térmica sofrem um aumento mais rápido nas dimensões quando aquecido, mas também sofre uma diminuição mais rápida nas dimensões quando resfriado. Dessa forma, se no enunciado foi dito que para esta situação o coeficiente de dilatação do parafuso é maior que o da

6 porca, o que temos que fazer é resfriar o conjunto para que a porca solte mais facilmente.gabarito: d 11. O lago artificial da Usina de Serra da Mesa é o segundo maior lago do Brasil com área alagada de 1.784km² e o maior em volume com aproximadamente 54 milhões de km³. De acordo com estudos realizados por especialistas em clima, a temperatura média do planeta sofrerá uma variação de 2,0 o C até o ano de 2020 em função do aquecimento global. Levando em consideração os valores acima e desconsiderando o fenômeno da evaporação e o processo de infiltração, podemos afirmar que a variação do volume da água do lago, devido ao aquecimento global, ao final desse período, será de: Dado: γh2o=1,3x10-4 o C -1 a) 140,4x10² km³ b) 140,4x10-4 km³ c) m³ d) x10² m³ e) 1.404x10² L Solução: Na presente questão, temos uma aplicação da dilatação volumétrica dos líquidos. Dessa forma: ΔV = 54x10 6 x 1,3x 10-4 x 2 = 140,4 x 10 2 km 2. Gabarito: a 12. O piso de concreto de um corredor de ônibus é constituído de secções de 20m separadas por juntas de dilatação. Sabe-se que o coeficiente de dilatação linear do concreto é 12x10 6 ºC 1, e que a variação de temperatura no local pode chegar a 50ºC entre o inverno e o verão. Nessas condições, a variação máxima de comprimento, em metros, de uma dessas secções, devido à dilatação térmica, é a) 1,0x10 2 b) 4,8x10 4 c) 2,4x10 4 d) 1,2x10 2 e) 6,0x10 4 Solução: Na presente questão, temos uma aplicação da dilatação linear dos sólidos. Dessa forma: ΔL = 20 x 12x10-6 x 50 = 1,2 x 10-2 m. Gabarito: d 13. Quem viaja de carro ou de ônibus pode ver, ao longo das estradas, torres de transmissão de energia tais como as da figura.

7 Olhando mais atentamente, é possível notar que os cabos são colocados arqueados ou, como se diz popularmente, fazendo barriga. A razão dessa disposição é que a) a densidade dos cabos tende a diminuir com o passar dos anos. b) a condução da eletricidade em alta tensão é facilitada desse modo. c) o metal usado na fabricação dos cabos é impossível de ser esticado. d) os cabos, em dias mais frios, podem encolher sem derrubar as torres. e) os ventos fortes não são capazes de fazer os cabos, assim dispostos, balançarem. Solução: Os fios precisam dessa barriga para evitar que no caso de um grande resfriamento haja uma contração que tenda a puxar as torres mais do que o que podem suportar. Gabarito: d 14. Uma lâmina bimetálica de bronze e ferro, na temperatura ambiente, é fixada por uma de suas extremidades, como visto na figura abaixo. Nessa situação, a lâmina está plana e horizontal. A seguir, ela é aquecida por uma chama de gás. Após algum tempo de aquecimento, a forma assumida pela lâmina será mais adequadamente representada pela figura: Note e adote: 5 1 O coeficiente de dilatação térmica linear do ferro é 1, 2 10 C. 5 1 O coeficiente de dilatação térmica linear do bronze é Após o aquecimento, a temperatura da lâmina é uniforme. a) 1, 8 10 C.

8 b) c) d) e) Solução: Numa lamina bimetálica, o material que possuir maior coeficiente de dilatação ficará por fora da curva( maiores dimensões). Dessa forma, a lâmina só poderá encurvar para baixo, visto que o coeficiente de dilatação do bronze é maior do que o do ferro. Gabarito: d 15. Uma longa ponte foi construída e instalada com blocos de concreto de 5 m de comprimento a uma temperatura de 20 C em uma região na qual a temperatura varia ao longo do ano entre 10 C e 40 C. O concreto destes blocos tem coeficiente de dilatação linear de 10-5 C -1. Nessas condições, qual distância em cm deve ser resguardada entre os blocos na instalação para que, no dia mais quente do verão, a separação entre eles seja de 1 cm? a) 1,01 b) 1,10 c) 1,20 d) 2,00 e) 2,02 Solução: Ao passar de 20 o C, que foi a temperatura no dia da instalação para 40º C a ponte vai se dilatar, fazendo com que o espaçamento entre os trilhos diminua. Calculando a dilatação que cada bloco vai sofrer, temos: ΔL=5x10-5 x 20 = 0,001m = 0,1 cm. Ou seja se no dia mais quente cairá para 1cm, no dia que foi instalada a distância era de 1,1 cm. Gabarito: b 16. Um menino, para mostrar força, aceita o desafio de um amigo. O desafio consiste em tomar um tubo de pvc, como os de instalações hidráulicas, e em uma das aberturas do tubo o amigo empurrar um êmbolo de borracha ajustado ao cano, como os de seringa, para dentro. No outro lado o menino estará com a boca no tubo tentando com a língua barrar o avanço do ar deslocado pelo êmbolo. Porém, se o êmbolo avançar para dentro do tubo, mas o menino não permitir nenhum deslocamento de ar do seu lado, mantendo a língua imóvel, é correto afirmar que ele sentiu a) o ar aquecendo. b) o ar resfriando.

9 c) a pressão do ar diminuindo. d) o ar solidificando. e) o ar realizando trabalho sobre sua língua. Solução: Podemos analisar a situação dada por termodinâmica. Essa compressão rápida é considerada adiabática, ou seja como ΔU = Q W, sendo Q=0, ΔU = W. Como o W foi negativo, o ΔU foi positivo(aquecimento do gás) Gabarito: a 17. Solução: Sendo o recipiente rígido, temos uma transformação isovolumétrica e dessa forma, a pressão e a temperatura absoluta serão diretamente proporcionais.gabarito: d 18.Num local em que a pressão atmosférica vale 1, Pa e a temperatura 25 o C, uma pessoa puxa o êmbolo de uma seringa até a posição 60 cm 3 com a extremidade da seringa aberta. Em seguida, tampa a abertura da seringa e pressiona o êmbolo até a posição 40 cm 3, sem que haja vazamento de ar. O êmbolo é mantido nessa posição até que o ar no interior da seringa retorne à temperatura de 25 o C. As figuras ilustram as duas situações.

10 Considerando o ar como um gás ideal, na situação final a pressão do gás, em Pa, ficou igual a a) 6, b) 8, c) 1, d) 1, e) 1, Solução: Utilizando-se a lei geral dos gases, temos: 1x10 5 x 60 = P x 40 P = 1,5 x 10 5 Pa. Gabarito: d 19. a) 2,94 b) 2,20 c) 1,00 d) 0,34 e) 0,52 Solução: A partir da equação dada, isolando-se os termos, temos:

11 μ2μ = P2P1 x T1 μ2μ = 0,26 x 1,3 0,34 d Gabarito: 20.Termodinâmica é a ciência que estuda o calor e suas transformações em energia mecânica. Baseado em seus estudos sobre o assunto, o que acontece quando se adiciona 100 J de calor a um sistema que realiza 60 J de trabalho externo? a) A energia interna do sistema permanece a mesma, pois, de acordo com a primeira lei da termodinâmica, ela não varia. b) A energia interna aumenta para 160 J como consequência da segunda lei da termodinâmica. c) A energia interna do sistema diminui de 60 J como explica a segunda lei da termodinâmica. d) A energia interna do sistema aumenta em 40 J de acordo com a primeira lei da termodinâmica. e) Sem conhecer a temperatura do sistema, nada se pode afirmar. Solução: a variação de energia interna é dada pela equação: U = Q W U = = 40J. A,B,C e E : Falsas D. Correta Gabarito :d