FÍSICA: CONCEITOS E EXERCÍCIOS DE FÍSICA TÉRMICA

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1 FÍSICA: CONCEITOS E EXERCÍCIOS DE FÍSICA TÉRMICA

2 1 SOBRE Apanhado de exercícios sobre física térmica selecionados por segrev. O objetivo é que com esses exercícios você esteja preparado para a prova, mas não use-os como única fonte de estudo. O material acompanha respostas e resoluções de alguns problemas. Qualquer dúvida pode ser postada no blog, mas o ideal é que você tente fazer os exercícios sozinho por um tempo e depois veja a resolução no final do material ou peça ajuda no blog. Os exercícios não estão ordenados e nem foram escolhidos por critério, a não ser tratar do assunto física térmica. Portanto, a lista pode conter exercícios fáceis e difíceis em ordem aleatória. FORMULÁRIO Tc 5 = Tf 32 9 = Tk Tc = Tk Tf = 1,8 Tc Q = K. A. T. t L Φ = Q t = k. A. T L

3 CONCEITOS Temperatura: medida da energia cinética média das partículas em uma substancia. Energia interna: soma de todas as energias moleculares: cinética (movimento das partículas de um corpo) e potencial (energia de ligação). Calor: energia transmitida entre corpos devido a diferença de temperatura, fluindo de um corpo a uma temperatura mais alta para outro a uma temperatura mais baixa. Zero absoluto: a mais baixa temperatura que uma substância pode alcançar, ponto em que não há agitação das moléculas, ou seja, possuem sua energia cinética mínima. Condução: transferência de energia térmica pelas colisões no interior da substância. Ocorre principalmente em sólidos e a energia é transferia de partícula a partícula, dependendo de um meio material para ocorrer. Convexão: transferência de energia térmica em um fluído (líquido ou gás) pelo seu movimento, formando uma corrente de convecção. Quando o fluído se move transporta a energia com ele. Irradiação: tranferência de energia por meio de ondas eletromagnéticas, não dependendo de um meio material.

4 2 QUESTÕES / EXERCÍCIOS / PROBLEMAS / O NOME QUE VOCÊ QUISER 1. Por que um pedaço de metal fica mais quente quando batemos com um martelo nele? Porque as partículas do metal ficam mais agitadas. 2. Quando você encosta numa mesa fria, é o calor que se desloca de sua mão para a mesa ou o frio que se descola da mesa para sua mão? Explique. O calor que se desloca da mão para a mesa, porque o calor flui de um corpo a uma temperatura mais alta para outro a uma temperatura mais baixa 3. Qual a diferença entre temperatura e calor? Temperatura é a medida da energia cinética de um corpo, enquanto calor é a transferência dessa energia de um corpo com maior temperatura para um corpo com menos. 4. Qual a diferença entre calor e energia interna? Calor é a a energia em trânsito de um corpo para outro, devido a diferença de temperatura entre eles, enquanto a energia interna é são todas as energias moleculares desses corpos.

5 3 5. (Mackenzie) Num determinado dia, em São Paulo, a temperatura ambiente foi igual à de Londres. Sabendo que, nesse dia, a temperatura de Londres foi 50ºF, a temperatura de São Paulo foi: a) 10ºC. b) 20ºC. c) 25ºC. d) 28ºC. e) 32ºC. 6. (Mackenzie) A indicação de uma temperatura na escala Fahrenheit excede em 2 unidades o dobro da correspondente indicação na escala Celsius. Esta temperatura é: a) 50ºC. b) 100ºC. c) 150ºC. d) 170ºC. e) 1300ºC. 7. (Mackenzie) Para medir a temperatura de um certo corpo, utilizou-se um termômetro graduado na escala Fahrenheit e o valor obtido correspondeu a 4/5 da indicação de um termômetro graduado na escala Celsius, para o mesmo estado térmico. Se a escala adotada tivesse sido a Kelvin, esta temperatura seria indicada por: a) 305 K. b) 273 K. c) 241 K. d) 32 K. e) 25,6 K. 8. (Mackenzie) Dispõe-se de um termômetro calibrado numa escala arbitrária que adota -10 ºX para a temperatura 10 ºC e 70 ºX para a temperatura 110 ºC. Com este termômetro mediu-se a temperatura de uma cidade que registra, no momento, 77ºF. Determine esta medida em ºX.

6 4 9. (FEI) Dois termômetros, um em escala Celsius e outro em escala Fahrenheit, medem a temperatura de um mesmo corpo. Ambos apresentam a mesma leitura. A temperatura do corpo é: a) -32. b) -40. c) Zero. d) 80. e) (Vunesp) Um estudante, no laboratório, deveria aquecer uma certa quantidade de água desde 25 C até 70 C. Depois de iniciada a experiência ele quebrou o termômetrode escala Celsius e teve de continuá-la com outro de escala Fahrenheit. Em que posição do novo termômetro ele deve ter parado o aquecimento? Nota: 0 C e 100 C correspondem, respectivamente, a 32 F e 212 F. a) 102 F b) 38 F c) 126 F d) 158 F e) 182 F 11. (UNIRIO) O nitrogênio, à pressão de 1,0 atm, se condensa a uma temperatura de -392 graus numa escala termométrica X. O gráfico representa a correspondência entre essa escala e a escala K (Kelvin). Em função dos dados apresentados no gráfico, podemos verificar que a temperatura de condensação do nitrogênio, em Kelvin, é dada por:

7 5 a) 56 b) 77 c) 100 d) 200 e) (FESP) No texto de uma revista cientifica: Em Plutão, o planeta mais afastado do Sol, a temperaturavai a 380 graus abaixo de zero. O autor, embora não tenha declarado qual a escala termométrica utilizada,certamente se refere, para a temperatura mencionada, à escala: a) Kelvin b) Celsius c) Fahrenheit d) diferente das anteriores, pois o valor não é compatível com nenhuma das três escalas citadas. 13. (Mackenzie) A temperatura, cuja indicação na escala Fahrenheit é 5 vezes maior que a da escala Celsius, é: a) 50 C. b) 40 C. c) 30 C. d) 20 C. e) 10 C. 14. (FAAP) O gráfico a seguir representa a correspondência entre uma escala X e a escala Celsius. Os intervalos de um grau X e de um grau Celsius são representados nos respectivos eixos, por segmentos de mesmo comprimento.

8 6 A expressão que relaciona essas escalas é: a) tx = (tc + 80) b) (tc/80) = (tx/100) c) (tc/100) = (tx/80) d) tx = (tc - 80) e) tx = tc 15. (Unisa) Uma panela com água está sendo aquecida num fogão. O calor das chamas se transmite através da parede do fundo da panela para a água que está em contato com essa parede e daí para o restante da água. Na ordem desta descrição, o calor se transmitiu predominantemente por: a) radiação e convecção. b) radiação e condução. c) convecção e radiação. d) condução e convecção. e) condução e radiação. 16. (UFES) Para resfriar um líquido, é comum colocar a vasilha que o contém dentro de um recipiente com gelo. Para que o resfriamento seja mais rápido, é conveniente que a vasilha seja metálica, em vez de ser de vidro, porque o metal apresenta, em relação ao vidro, um maior valor de: a) condutividade térmica b) calor específico c) coeficiente de dilatação térmica d) energia interna e) calor latente de fusão. 17. (Mackenzie) Uma parede de tijolos e uma janela de vidro de espessura 180mm e 2,5mm, respectivamente, têm suas faces sujeitas à mesma diferença de temperatura. Sendo as condutibilidades térmicas do tijolo e do vidro iguais a 0,12 e 1,00 unidades SI, respectivamente, então a razão entre o fluxo de calor conduzido por unidade de superfície pelo vidro e pelo tijolo é: a) 200 b) 300

9 c) 500 d) 600 e) 800 7

10 8 RESPOSTAS E EXPLICAÇÕES EXERCÍCIO 5. Correta: (A). É dada um temperatura em Fahrenheit (50ºF) e pede-se a equivalente em Celsius. Basta aplicar a formula: Tc/5 = (Tf 32)/9 Tc/5 = Tc/5 = 18/9 9Tc = 90 Tc = 10ºC EXERCÍCIO 6. Correta: (C). Sabe-se que a indicação da temperatura em Fahrenheit é o dobro da correspondente em Celsius mais duas unidades: I. Tf = 2Tc + 2. Pela fórumla: II. Tc/5 = (Tf-32)/9. Substituindo Tf de I na fórmula II: Tc/5 = (2Tc )/9 9Tc = 10Tc Tc = -150 Tc = 150ºC EXERCÍCIO 7. Correta: (C). É semelhante ao exercício anterior, mas com uma conversão a mais. Sabese que a indicação da temperatura em Fahrenheit é 4/5 da indicação em Celsius: I. Tf = 4/5.Tc. Pela fórmula: II. Tc/5 = (Tf-32)/9. Substituindo Tf de I na fórmula II: Tc/5 = (4/5.Tc 32)/9 9Tc = 5.(4/5.Tc 32) 9Tc = 4Tc 160 5Tc = -160 Tc = -32ºC

11 9 Sabendo a temperatura em Celcius (-32ºC), é possível passá-la para a escala Kelvin, como pede o exercício. Pela fórmula: Tc = Tk = Tk 273 Tk = 241K EXERCÍCIO 8. Correta: 2ºX. Primeiro devemos descobrir a temperatura que o termômetro está marcando, em Celsius, para estabelecer a relação coma a escala arbitrária X. Sabe-se que, em Fahrenheit, a temperatura é 77ºF, então utilizamos a fórmula para convertê-la para ºC: Tc/5 = (Tf 32)/9 Tc/5 = (77-32)/9 Tc/5 = 45/9 Tc/5 = 5 Tc = 25ºC Com essa informação, podemos obter a indicação da temperatura na escala X. X é uma escala arbitrária e a conversão é feita da mesma forma que para as outras escalas. Porém, para ela, não temos fórmula, pois não a conhecemos, então é necessário fazer o mesmo procedimento que foi utilizado para obter as fórmulas de conversão das escalas conhecidas: já que a temperatura é a mesma, a elevação do líquido no termômetro será a mesma, mudando apenas os valores das escalas. O enunciado nos dá alguns valores de referência e são eles que utilizaremos. Se colocarmos as duas escalas lado a lado, temos: ºX ºC Tx x y

12 10 Construímos, então, uma relação que compara as amplitudes x e y: x Tx ( 10) = = y 70 ( 10) Tx = Tx = Tx = 20 Tx = 2 X EXERCÍCIO 9. Correta: (C). É igual ao exercício resolvido 2 da página 17 do nosso livro. Pede-se a temperatura na qual a indicação na escala Celsius (Tc) é igual na escala Fahrenheit (Tf), que chamaremos de X (Tc = Tf = X). Substituindo na expressão de conversão: Tc/5 = (Tf -32)/9 X/5 = (X 32)/9 9X = 5X 160 4X = -160 X = -40, então -40ºC = -40ºF EXERCÍCIO 10. Correta: (D). O enunciado indica que o estudante deveria aquecer a água até 70ºC, porém a medida da temperatura teve de ser feita com um termômetro na escala Fahrenheit. O que deve ser feito é simplesmente converter 70º na escala Celsius para Fahrenheit: Tc/5 = (Tf 32)/9 70/5 = (Tf 32)/9 14 = (Tf 32)/9 126 = Tf 32 Tf = 158ºF

13 11 EXERCÍCIO 11. Correta: (B). Semelhante ao exercício 4. Pelo gráfico, vemos que quando o termômetro marca 200 na escala X, marca 373 na escala K, e que quando marca 0 na escala X, marca 273 na escala K: º X K Tx Tk x y Relacionando x e y: Tx 0 Tk 273 = Tx Tk 273 = Tx = 2Tk 546 Sabendo que Tx é duas vezes Tk menos 546, podemos descobrir quanto é -392ºX na escala K: Tx = 2Tk = 2Tk = 2Tk Tk = 77K EXERCÍCIO 12. Correta: (C). Não pode ser Kelvin, porque pelo SI não se pode usar ºK e o artigo cita -380 graus, além de que não se pode medir seu valor abaxio de 0 (0K é o zero absoluto). Não pode ser Celsius, porque -380ºC indica uma temperatura abaixo do valor do zero absoluto (-273,15ºC), e essa é a mais baixa temperatura possível para qualquer substância. Pode ser Fahrenheit, pois

14 12-380ºF é indicado em Celsius como aproximadamente -228ºC, acima do valor do zero absoluto, e é uma escala graduada. EXERCÍCIO 13. Correta: (E). I. Tc/5 = (Tf - 32)/9 II. Tf = 5Tc Substituindo I em II: Tc/5 = (5Tc 32)/9 9Tc = 25Tc Tc = -160 Tc = 10ºC EXERCÍCIO 14. Correta: (A). Quando a indicação da tempetara em X aumenta 10º, a indicação em C também aumenta 10º, devido ao ângulo de 45º. Sabemos que quando Tx é 80, Tc é 0. Fica fácil perceber que a temperatura em X é sempre 80º a mais que em C. Para provar: podemos dizer que quando Tx é 90º, Tc é 10º, pelo que foi dito acima. Construímos, então, a relação entre as escalas: º X K Tx Tc x y Tx = Tc Tx = Tc 10 Tc = Tx 80

15 13 EXERCÍCIO 15. Correta: (D). EXERCÍCIO 16. Correta: (A). EXERCÍCIO 17. Correta: (D). Pede-se a razão dos fluxos de calor dos materiais. O fluxo de calor é dado por: Φ = Q t = k. A. T L Nesse exercício, as únicas coisas que variam entre os dois materiais é a espessua (L) e a condutividade térmica (k). Podemos descartar os valores de A (área) e ΔT (variação de temperatura): Φtijolo = k L Φtijolo = 0,12 0,18 Φvidro = 1 0,0025 A razão entre o fluxo de calor do vidro e do tijolo é: Φvidro Φtijolo = 1 0,0025 0,12 0,18 Dividindo as duas frações: 1 0,0025 x 0,18 0,12 = 0,18 0,0003 = 600