Exercícios 2 fase aula 1

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1 Exercícios 2 fase aula 1 1. (Uerj 2017) Em uma cozinha industrial, foi instalada uma torneira elétrica com potência de W. A temperatura da água na entrada dessa torneira é de 20 C e, na saída, de 60 C. Determine a potência térmica da torneira, em cal s, e sua vazão, em L min. 2. (Ufpr 2017) Uma máquina térmica teórica ideal teve um dimensionamento tal que, a cada ciclo, ela realizaria trabalho de 50 cal e cederia 150 cal para a fonte fria. A temperatura prevista para a fonte quente seria de 127 C. Determine: a) O rendimento dessa máquina térmica. b) A temperatura prevista para a fonte fria, em graus Celsius. 3. (Uel 2017) Considere o diagrama pv da figura a seguir. O ciclo fechado ao longo do percurso abcda é denominado ciclo Otto e representa o modelo idealizado dos processos termodinâmicos que ocorrem durante o funcionamento de um motor a gasolina. O calor recebido pelo motor, dado por Q, 1 é fornecido pela queima da gasolina no interior do motor. W representa o trabalho realizado pelo motor em cada ciclo de operação, e Q 2 é o calor rejeitado pelo motor, por meio da liberação dos gases de exaustão pelo escapamento e também via sistema de arrefecimento. Considerando um motor que recebe J de calor e que realiza 875 J de trabalho em cada ciclo de operação, responda aos itens a seguir. a) Sabendo que o calor latente de vaporização da gasolina vale J/g determine a massa de gasolina utilizada em cada ciclo de operação do motor. b) Sabendo que, em um ciclo termodinâmico fechado, a soma das quantidades de calor envolvidas no processo é igual ao trabalho realizado no ciclo, determine a quantidade de calor rejeitada durante cada ciclo de operação do motor. 4. (Ufu 2017) A água, substância comum e indispensável a nossa sobrevivência, em condições cotidianas normais, pode se apresentar em três estados físicos diferentes: sólido, líquido e vapor. A figura representa de forma simplificada, e fora de escala, o diagrama de fases da água, com os eixos representando temperatura e pressão. As linhas do diagrama representam a pressão de mudança de fase em função da temperatura.

2 a) Com base no diagrama de fases explique, do ponto de vista da Física, como a panela de pressão consegue cozinhar alimentos mais rapidamente quando comparada a uma panela comum. b) Os patins de gelo possuem uma lâmina em sua parte inferior que, em contato com o gelo, faz com que ele derreta, criando um sulco onde ocorre o deslizamento. Após os patins passarem pelo sulco, dependendo da temperatura local, a água do sulco pode se solidificar novamente. Com base no diagrama de fases, explique o fenômeno descrito. 5. (Unesp 2017) Um bloco de gelo de massa 200 g, inicialmente à temperatura de 10 C, foi mergulhado em um recipiente de capacidade térmica 200 cal C contendo água líquida a 24 C. Após determinado intervalo de tempo, esse sistema entrou em equilíbrio térmico à temperatura de 4 C. O gráfico mostra como variou a temperatura apenas do gelo, desde sua imersão no recipiente até ser atingido o equilíbrio térmico. calor específico da água líquida 1cal g C calor específico do gelo calor latente de fusão do gelo 0,5 cal g C 80 cal g Considerando as informações contidas no gráfico e na tabela, que o experimento foi realizado ao nível do mar e desprezando as perdas de calor para o ambiente, calcule a quantidade de calor absorvido pelo bloco de gelo, em calorias, desde que foi imerso na água até ser atingido o equilíbrio térmico, e calcule a massa de água líquida contida no recipiente, em gramas, antes da imersão do bloco gelo. 6. (Uerj 2016) Um trem com massa de 100 toneladas e velocidade de 72 km h, é freado até parar. O trabalho realizado pelo trem, até atingir o repouso, produz energia suficiente para evaporar completamente uma massa x de água. Sendo a temperatura inicial da água igual a 20 C, calcule, em kg, o valor de x. 7. (Ita 2016) Considere uma garrafa térmica fechada contendo uma certa quantidade de água inicialmente a 20 C. Elevando-se a garrafa a uma certa altura e baixando-a em seguida, suponha que toda a água sofra uma queda livre de 42 cm em seu interior. Este processo se repete 100 vezes por minuto. Supondo que toda a energia cinética se transforme em calor a cada movimento, determine o

3 tempo necessário para ferver toda a água. 8. (Ufes 2015) A figura abaixo apresenta um conjunto de transformações termodinâmicas sofridas por um gás perfeito. Na transformação 1 2, são adicionados 200 J de calor ao gás, levando esse gás a atingir a temperatura de 60 C no ponto 2. A partir desses dados, determine a) a variação da energia interna do gás no processo 1 2; b) a temperatura do gás no ponto 5; c) a variação da energia interna do gás em todo o processo termodinâmico (Ufg 2014) Os gases comprimidos de uso hospitalar e industrial são comumente armazenados em cilindros de volume igual a 42. A massa desses cilindros vazios é de 45 kg. Considere um cilindro preenchido com hélio à temperatura de 27 C e pressão de 200 atm e responda ao que se pede. a) Se o cilindro for colocado em cima de uma balança, determine o valor da massa medido pelo instrumento. b) No caso em que a válvula do cilindro não vede perfeitamente, ou seja, que haja pequenas perdas de gás, calcule o valor da massa de hélio no cilindro quando o gás parar de vazar, na hipótese de que o sistema se encontre ao nível do mar à temperatura de 27 C. Dados: 1 1 R 0,08 atm K mol, peso atômico do Hélio 4 u a. 10. (Uerj 2014) A energia consumida por uma pessoa adulta em um dia é igual a kcal. Determine a massa de gelo a 0 C que pode ser totalmente liquefeita pela quantidade de energia consumida em um dia por um adulto. Em seguida, calcule a energia necessária para elevar a temperatura dessa massa de água até 30 C. 11. (Ufg 2014) O corpo humano consegue adaptar-se a diferentes temperaturas externas, mantendo sua temperatura aproximadamente constante em 37 C por meio da produção de energia por processos metabólicos e trocas de calor com o ambiente. Em uma situação típica, em que um indivíduo esteja em repouso em um ambiente a 25 C, ele libera calor para o ambiente por condução térmica a uma taxa de 15 J / s e por evaporação de água por meio da pele a uma taxa de 60 kj / hora. Considerando o exposto, calcule: a) a quantidade de água, em m, que o indivíduo deve ingerir para compensar a perda por evaporação em duas horas. b) a espessura média da pele do indivíduo, considerando a área total da superfície da sua pele igual a ,5 m e a condutibilidade térmica (k) da mesma igual a 2 10 W m C.

4 Dados: Calor latente de evaporação da água à 37 C : 2400 kj / kg, densidade da água: d 1kg / litro. 12. (Ufpr 2013) É cada vez mais frequente encontrar residências equipadas com painéis coletores de energia solar. Em uma residência foram instalados 10 m 2 de painéis com eficiência de 50%. Supondo que em determinado dia a temperatura inicial da água seja de 18 C, que se queira aquecê-la até a temperatura de 58 C e que nesse local a energia solar média incidente seja de 120 W/m 2, calcule o volume de água que pode ser aquecido em uma hora. 13. (Unifesp 2013) O gráfico representa o processo de aquecimento e mudança de fase de um corpo inicialmente na fase sólida, de massa igual a 100g. Sendo Q a quantidade de calor absorvida pelo corpo, em calorias, e T a temperatura do corpo, em graus Celsius, determine: a) o calor específico do corpo, em cal/(g C), na fase sólida e na fase líquida. b) a temperatura de fusão, em C, e o calor latente de fusão, em calorias, do corpo. 14. (Uftm 2012) Em uma choperia, o chope é servido à razão de 1 litro por minuto. Em um dia, cuja temperatura é de 24,5 C, a bebida é introduzida na serpentina da chopeira à temperatura ambiente e, dela, sai a 4 C. A capacidade da chopeira é de 20 kg de gelo, colocado sobre a serpentina a 4 C( cgelo 0,5 cal g C e Lf 80 cal g ). Considere dchope 3 1,0 g cm e cchope 1,0 cal g C. Considerando que não há qualquer tipo de perda de energia térmica entre o meio ambiente e a chopeira, determine: a) a massa de gelo que se converte em água, para cada litro de chope retirado. b) o intervalo de tempo necessário para que se reponha o gelo, de modo a manter sempre a mesma

5 temperatura final do chope. 15. (Ufba 2011) Impossibilitados de medir a longitude em que se encontravam, os navegadores que tomaram parte nas grandes explorações marítimas se viam literalmente perdidos no mar tão logo perdessem contato visual com a terra. Milhares de vidas e a crescente riqueza das nações dependiam de uma solução. (SOBEL, 1997). A determinação da longitude ao longo de viagens marítimas é feita pela comparação entre a hora local e a hora no porto de origem. Portanto, é necessário que se tenha, no navio, um relógio que seja ajustado antes de zarpar e marque, precisamente, ao longo de toda a viagem, a hora do porto de origem. Os relógios de pêndulo daquela época não serviam a esse propósito, pois o seu funcionamento sofria influência de muitos fatores, inclusive das variações de temperatura, devido à dilatação e à contração da haste do pêndulo. A longitude pôde finalmente ser determinada através de um relógio, no qual o problema das variações de temperatura foi resolvido com a utilização de tiras de comprimentos diferentes feitas de materiais de coeficientes de dilatação diferentes. Com base nesse mesmo princípio físico, considere um conjunto formado por duas barras de comprimento L 1 = 10,0 cm e L 2 = 15,0 cm fixadas em uma das extremidades, inicialmente submetido à temperatura To. Supondo que o conjunto tenha sua temperatura aumentada para T = T o + Δ T, determine a relação entre os coeficientes de dilatação linear, α 1 e α 2, das barras, para a qual a distância D = 5,0 cm não se altera com a variação de temperatura. 16. (Ufg 2010) Deseja-se acoplar um eixo cilíndrico a uma roda com um orifício circular. Entretanto, como a área da seção transversal do eixo é 2,0 % maior que a do orifício, decide-se resfriar o eixo e aquecer a roda. O eixo e a roda estão inicialmente à temperatura de 30 C. Resfriando-se o eixo para - 20 C, calcule o acréscimo mínimo de temperatura da roda para que seja possível fazer o acoplamento. O eixo e a roda são de alumínio, que tem coeficiente de dilatação superficial de 5, C (Ufop 2010) Um recipiente, cujo volume é exatamente cm 3, à temperatura de 20 C, está completamente cheio de glicerina a essa temperatura. Quando o conjunto é aquecido até 100 ºC, são entornados 38,0 cm 3 de glicerina. Dado: coeficiente de dilatação volumétrico da glicerina = 0,5 x 10-3 ºC- 1.Calcule: a) a dilatação real da glicerina; b) a dilatação do frasco; c) o valor do coeficiente de dilatação volumétrica do recipiente. 18. (Ufg 2010) Uma sala de aula de 200 m 2 e 3 m de altura acomoda 60 pessoas, que iniciam as atividades pela manhã a uma temperatura de 25 ºC. A taxa de dissipação de calor produzida por um ser humano adulto sentado é, em média, de 120 W. Para que o corpo humano permaneça à temperatura de 37 ºC é adequado que o ambiente seja mantido a 25 ºC, assim a dissipação do calor por irradiação compensa a produção de calor do corpo. A capacidade térmica por unidade de volume do ar é 1300 J/m 3 ºC. Considerando o exposto, e tratando a sala de aula como um sistema termicamente isolado, calcule: a) a potência do aparelho de ar-condicionado necessário para manter a sala a 25 ºC; b) o intervalo de tempo, em minutos, para a sala atingir 37 ºC, na ausência do equipamento de arcondicionado.

6 19. (Ufop 2010) Um hotel necessita aquecer, de 25 ºC a 75 ºC, 100 litros de água, em 24 horas, utilizando um sistema de aquecimento solar. Sabendo que a radiação solar média por unidade de área é de 650 W/m 2, durante 8 horas por dia, e que a eficiência do coletor é de 20%, calcule qual a área do coletor solar necessária para aquecer essa quantidade de água. Dados: Calor específico da água c = 4190 J/kgºC, densidade da água d =1 kg/l. 20. (Ita 2009) Três processos compõem o ciclo termodinâmico ABCA mostrado no diagrama P V da figura. O processo AB ocorre a temperatura constante. O processo BC ocorre a volume constante com decréscimo de 40 J de energia interna e, no processo CA, adiabático, um trabalho de 40 J é efetuado sobre o sistema. Sabendo-se também que em um ciclo completo o trabalho total realizado pelo sistema é de 30 J, calcule a quantidade de calor trocado durante o processo AB.