PARTE I EQUILÍBRIO TÉRMICO: Dois ou mais corpos estão em equilíbrio térmico quando eles estão a uma mesma temperatura.

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1 Nome: n.º Santos, de de ª SÉRIE Valor: 4,0(quatro) Data de entrega dos exercícios: final de março Ensino: MÉDIO Disciplina: FÍSICA 1.º Bimestre Prof. (a ) Rita Lourenço Obs.: Os exercícios deverão ser resolvidos à medida que a matéria for vista. As três partes serão totalmente resolvidas e vistadas pela professora até final de março. TEMPERATURA E CALOR (DEFINIÇÕES) TEMPERATURA: É a grandeza física que nos indica o grau de agitação das partículas de um corpo. Quanto maior essa agitação, maior será a medida da temperatura. CALOR: É energia térmica em trânsito que surge exclusivamente pela diferença de temperatura entre os corpos. Para que exista trânsito de energia, é necessário existir diferença de temperatura. Tanto temperatura quanto calor serão estudados detalhadamente. Antigamente, o calor era concebido como uma substância estranha, sem massa e sem volumes perceptíveis que habitava os corpos e muitas vezes confundidos com o conceito de temperatura. Hoje, as noções de calor e temperatura são bem distintas. PARTE I EQUILÍBRIO TÉRMICO: Dois ou mais corpos estão em equilíbrio térmico quando eles estão a uma mesma temperatura. ESCALAS TERMOMÉTRICAS Para se construir uma escala termométrica, precisamos ter dois pontos fixos. 1.º Ponto Fixo: ponto de fusão do gelo. 2.º Ponto Fixo: ponto de ebulição da água. São os pontos mais usados (fusão do gelo e ebulição da água) ambos sob pressão de 1 atm. As escalas mais usuais são: CELSIUS, FAHRENHEIT E KELVIN. A SEGUIR VAMOS VER COMO SE FAZ A CONVERSÃO DE UMA ESCALA EM OUTRA. º C º F K C F K C- 0 = F- 32 = K- 273 C = F 32 = K A variação de temperaturas será medida através de: ΔC = ΔF = ΔK EXERCÍCIOS PROPOSTOS DA PARTE I 1) Em uma panela existe água à temperatura de 20º C. a) Qual o valor dessa temperatura nas escalas Fahrenheit e Kelvin? b) Se o conjunto (panela + água) for aquecido a 80º C, qual será a variação de temperatura do sistema nas escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin? 2) ) Em uma panela existe água à temperatura de 50º C. a) Qual o valor dessa temperatura nas escalas Fahrenheit e Kelvin? b) Se o conjunto (panela + água) for resfriado a 20º C, qual será a variação de temperatura do sistema nas escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin? 1

2 3) Uma pessoa mediu a temperatura de seu corpo, utilizando-se de um termômetro graduado na escala Fahrenheit e encontrou o valor 97,7º F. Essa pessoa encontra-se em estado febril ou não? 4) Um médico inglês mede a temperatura de um paciente com suspeita de infecção e obtém em seu termômetro clínico o valor de 102,2º F (graus Fahrenheit). a) Tem ele motivo para se preocupar com o paciente? Justifique. b) Por que um paciente com febre sente frio? Responda e defina também o conceito físico de calor. 5) Ao medir a temperatura de um mesmo ambiente com dois termômetros, um calibrado na escala Celsius e o outro, na escala Fahrenheit, uma pessoa observa que eles apresentam a mesma leitura. Qual é essa temperatura? 6) A diferença entre a indicação de um termômetro Fahrenheit e a de um termômetro Celsius para um mesmo estado térmico é 40. Qual a leitura dos dois termômetros? 7) Desafio - Os termômetros são instrumentos utilizados para efetuarmos medidas de temperaturas. Os mais comuns se baseiam na variação do volume sofrida por um líquido considerado ideal, contido num tubo de vidro cuja dilatação é desprezada. Num termômetro em que se utiliza mercúrio, vemos que a coluna desse líquido sobe cerca de 2,7 cm para um aquecimento de 3,6º C. Se a escala termométrica fosse a Fahrenheit, para um aquecimento de 3,6º F, a coluna de mercúrio subiria : a) 11,8 cm b) 3,6 cm c) 2,7 cm d) 1,8 cm e) 1,5 cm Obs.: todas as questões devem ser resolvidas. Não serão aceitas só alternativas. 8) Marcela resolveu criar uma escala termométrica (escala Marcela, arbitrária, ou graus Marcela, º M), usando um velho termômetro de mercúrio cuja escala já estava totalmente apagada. Sob pressão atmosférica normal, ele colocou o termômetro em equilíbrio térmico com gelo fundente e anotou a altura atingida pela coluna de mercúrio: 5,0cm. Em seguida, pondo o termômetro em equilíbrio térmico com água em ebulição, anotou a nova altura da coluna de mercúrio: 25 cm. Para essas alturas ele atribuiu 0º M e 100º M, respectivamente. a) Qual é a função termométrica dessa escala arbitrária º M? b) Qual será o valor da temperatura na escala M se a altura da coluna de mercúrio atingir 17 cm? 9) Em uma escala arbitrária P, os estados térmicos referentes ao ponto de fusão do gelo e ao ponto de ebulição da água são, respectivamente, -20º P e 120º P. Nesses estados os correspondentes comprimentos de uma coluna de mercúrio são 20 cm e 40 cm. Qual temperatura na escala P corresponde a uma coluna de mercúrio de comprimento 30 cm? 10) Duas escalas termométricas x e y relacionam-se conforme o gráfico. y x - 20 Quando um termômetro graduado na escala x marca 40º a marcação de outro termômetro graduado na escala y, será igual a: a) 20º b) 40º c) 60º d) 80º e) 90º 2

3 PARTE II- DILATAÇÃO TÉRMICA DILATAÇÃO DOS SÓLIDOS A experiência mostra que corpos sólidos ao sofrerem aquecimento, se dilatam e, ao serem resfriados, se contraem. A variação nas dimensões de um sólido causada pelo aquecimento ou resfriamento denominamos dilatação térmica. A dilatação térmica pode ocorrer em 3 dimensões: 1) Dilatação linear: É aquela que ocorre em uma única dimensão. Exemplos: - Uma rede elétrica apresenta sempre folga entre dois postes para evitar a tração e possível ruptura no fio, quando ele diminui de comprimento com a diminuição de temperatura. - Entre dois trilhos de uma ferrovia, entre trechos de pontes, entre blocos de cimento de uma calçada há sempre uma folga. Assim, quando ocorre o aumento de temperatura, os corpos podem se dilatar sem sofrerem deformações. ΔL= L final L inicial Δt= t final t inicial ΔL= α.l o. Δt α=coeficiente de dilatação linear L in ΔL L final = L o + ΔL L fin 2) Dilatação Superficial: É aquela que ocorre em duas direções. (Área). S O S S o = superfície ou área inicial S = superfície ou área final ΔS= β.s o. Δt onde: ΔS= dilatação superficial β=coeficiente de dilatação superficial β= 2. α S= S o + ΔS A diferença entre a superfície final (S) e a inicial (S o ) nos fornece a dilatação superficial. Exemplos: anéis, rodas, azulejos e pisos, as tampas metálicas dos potes de conserva são exemplos de corpos que sofrem dilatação superficial. 3) Dilatação Volumétrica: É aquela que ocorre nas três dimensões (Volume). V V o = volume inicial V= volume final V o ΔV= γ.v o. Δt γ = coeficiente de dilatação volumétrica γ = 3. α=3/2. Β V= V o + ΔV Exemplos de corpos que sofrem dilatação nas três dimensões: paralelepípedos, tijolos, blocos. DILATAÇÃO DOS LÍQUIDOS Sabemos que os líquidos não apresentam forma própria, assim só tem sentido o estudo da dilatação volumétrica quando se trata de líquidos. Normalmente, os líquidos sempre dilatam mais que os sólidos ao serem igualmente aquecidos. Desse modo o líquido irá ocupar parte da dilatação sofrida pelo recipiente ao sofrerem dilatação. Essa dilatação é chamada de dilatação aparente, pois representa a dilatação que podemos observar diretamente. A dilatação real é aquela realmente sofrida pelo líquido. Assim: ΔV real = ΔV AP + ΔV recip γ real = γ ap + γ recip 3

4 COMPORTAMENTO ANÔMALO DA ÁGUA. No intervalo de temperatura entre 0 o C e 4º C, a água tem um comportamento diferenciado. Quando a água (doce ou salgada, não importa) estando a 0 o C é aquecida, ao atingir a temperatura de 4 o C ela sofre contração de seu volume, quando o esperado seria dilatar-se. Se ao contrário há um resfriamento, quando a água chega aos 4º C, até atingir 0 o C, ela sofre uma dilatação, quando o esperado seria uma contração. Todos nós já tivemos a experiência de colocarmos uma garrafa cheia de água num freezer e, ao retirá-la percebemos que ela quebrou. Se você ainda não teve essa experiência, tente colocar uma garrafinha (pode ser de plástico) cheia de água no freezer e espere até o congelamento. A explicação para tal anomalia é a fórmula da água: H 2 0. Ao serem resfriadas, as moléculas de Hidrogênio e Oxigênio se afastam, fazendo com que o volume aumente. Depois que baixar de 0 o C, o comportamento volta ao normal. Aumentando o volume, a densidade diminui ( d=m/v). Com a densidade menor, quando se torna gelo, a água sobe para a superfície. Nos países com invernos cujas temperaturas atingem -10º C, -40º C ou menos, existe vida nos rios e lagos. Essa vida (flora e fauna) só é possível porque o gelo ( 0 o C) por ser menos denso que a água no estado líquido sobe, ficando na superfície da água. O gelo é um isolante térmico e, dessa maneira mantém a temperatura da água em 4º C, enquanto na atmosfera ela pode atingir qualquer temperatura negativa. EXERCÍCIOS PROPOSTOS SOBRE DILATAÇÃO DE SÓLIDOS E LÍQUIDOS 1) Um encanamento de cobre, de 15 m de comprimento, é usado para levar água quente do pavimento térreo para o quinto andar de um edifício. Se a temperatura de água variar de 20º C para 80º C, qual será a dilatação ocorrida nesse encanamento? (dado α cu =1,7.10-5/ /º C). 2) Um encanamento de cobre, de 25 m de comprimento, é usado para levar água quente do pavimento térreo para o oitavo andar de um edifício. Se a temperatura de água variar de 15º C para 65º C, qual será a dilatação ocorrida nesse encanamento? (dado α cu =1,7.10-5/ /º C). 3) Um cabo de alumínio (α al =2,2.10-5/ /º C), de 150m de comprimento, é preso entre dois postes, num dia em que a temperatura é de 35º C. De quanto ele se contrairá quando a temperatura baixar para 20º C? 4) A 0º C, uma placa pouco espessa possui área de 2,000m 2. Ao ser aquecida até 50º C, sua área aumenta para 2,004m 2. Calcule os coeficientes de dilatação linear e superficial dessa placa. 5) Calcule a área final de uma placa retangular que mede 2,00 por 1,5m a 15º C, feita de latão (α latão =1,8.10-5/ /º C), quando aquecida a 468º C. 6) Determine o aumento que ocorre no volume de um paralelepípedo de aço de dimensões 10cmx15cmx50cm a 15º C, ao ser aquecido a 265º C? 7) Uma garrafa de vidro (α vidro =0,8.10-5/ /º C) tem capacidade para 1,0L a 15º C e está completamente cheia com um líquido de coeficiente de dilatação real 2, /º C. Se o conjunto for aquecido até 165º C, qual será o volume de líquido transbordado? 8) (Cesgranrio-RJ) - Um petroleiro recebe uma carga de 1 milhão de barris de petróleo (1, m 3 ) no Golfo Pérsico, a uma temperatura de aproximadamente 50º C. Qual a perda de volume, por efeito de contração térmica, que esta carga apresenta quando descarregada no Sul do Brasil, a uma temperatura de cerca de 20º C? O coeficiente de dilatação térmica do petróleo é aproximadamente igual a /º C a) 3 barris b) 30 barris c) 300 barris d) 3000 barris e) barris 4

5 PARTE III ENERGIA TÉRMICA E PROPAGAÇÃO DO CALOR Como já vimos, a energia térmica em trânsito, provocada por uma diferença de temperatura entre os corpos, é denominada calor. O calor pode se propagar de um corpo para outro através de três formas: 1) Condução térmica é um processo de transporte de energia sem transporte de matéria, que ocorre principalmente nos materiais sólidos. Para esse tipo de propagação, é necessária a existência de matéria. Como exemplos, podemos citar os cabos de panelas que possuem material plástico ou de madeira, para evitar que queimem as mãos de quem os manusear. 2) Convecção térmica: É o processo de transferência de calor, por meio do transporte de matéria, devido à diferença de densidade e à ação da gravidade. Esse processo acontece normalmente nos fluidos (líquidos e gases). Como exemplo, podemos citar a posição onde devem ser instalados os aparelhos de arescondicionados: na parte de cima de uma parede. O ar quente, mais leve, sobe e, o ar frio mais denso desce. Outro exemplo é a posição ideal do freezer nas geladeiras, que é a parte de cima. As brisas marítimas e terrestres também são exemplos de convecção. 3) Irradiação térmica: é o processo de transferência de calor por meio de ondas eletromagnéticas, denominadas ondas de calor ou calor radiante. Esse processo, diferente dos outros dois, também ocorre na ausência de matéria (vácuo). Como exemplo, podemos citar o Sol que aquece a Terra exclusivamente por radiação, pois atravessa uma grande região de vácuo. 4) Fluxo de Calor: Vamos imaginar dois ambientes separados por uma placa de área A e espessura e. Para que exista fluxo de calor, é necessário que haja diferença de temperaturas entre os ambientes. Essas temperaturas são mantidas constantes em seus ambientes. Chamaremos de φ o fluxo de calor através da placa, que acontece por condução e, será calculado pela relação: Onde: K é a constante de condutividade térmica e depende do material de que é feita a placa T 1 = temperatura do ambiente mais quente ou φ=q (cal/s) T 2 = temperatura do ambiente mais frio φ = K. A(T 1 T 2 ) e EXERCÍCIOS PROPOSTOS PARTE III 1) (Enem-MEC) - Uma garrafa de vidro e uma lata de alumínio, cada uma contendo 330 ml de refrigerante, são mantidas em um refrigerador pelo mesmo longo período de tempo. Ao retirá-las do refrigerador com as mãos desprotegidas, tem-se a sensação de que a lata está mais fria que a garrafa. É correto afirmar que: a) A lata está realmente mais fria, pois a capacidade calorífica da garrafa é maior que a da lata. b) A lata está realmente fria, pois o vidro possui condutividade menor que a do alumínio. c) A garrafa e a lata estão à mesma temperatura, possuem a mesma condutividade térmica, e a sensação deve-se à diferença nos calores específicos. d) A garrafa e a lata estão à mesma temperatura, e a sensação é devida ao fato de a condutividade térmica do alumínio ser maior que a do vidro. e) A garrafa e a lata estão a uma mesma temperatura, e a sensação é devido ao fato de a condutividade térmica do vidro ser maior que a do alumínio. 2) Um carro fechado estacionado na rua, exposto ao Sol, absorve a energia radiante e fica aquecido. A energia que atinge o teto do carro penetra nele através do fenômeno de: a) Convecção térmica b) irradiação térmica c) Inversão térmica d) condução térmica Δt 5

6 e) Variação térmica 3) Analise as afirmações referentes à condução térmica: I- Para que um pedaço de carne cozinhe mais rapidamente, pode-se introduzir nele um espeto metálico. Isso se justifica pelo fato de o metal ser um bom condutor de calor. II- Os agasalhos de lã dificultam a perda de energia (na forma de calor) do corpo humano para o ambiente, devido ao fato de o ar aprisionado entre suas fibras ser um bom isolante térmico. III- Devido à condução térmica, uma barra de metal mantém-se a uma temperatura inferior a de uma barra de madeira colocada no mesmo ambiente. Podemos afirmar que: a) I, II e III estão corretas b) I, II e III estão erradas. c) Apenas I está correta. d) Apenas II está correta. e) Apenas I e II estão corretas. 4) Numa cozinha, é fácil constatar que a temperatura é mais elevada próximo ao teto do que próximo ao chão, quando há fogo no fogão. Isso é devido ao fato de o: a) Calor não se propaga para baixo. b) Calor não se propaga horizontalmente. c) Ar quente subir, por ser menos denso do que o ar frio. d) Ar quente subir, por ser mais denso que o ar frio. e) Ar frio descer, por ser menos denso do que o ar quente. 5) Um resistor R é colocado dentro de um recipiente de parede metálica, no qual é feito o vácuo e que possui um termômetro incrustado em sua parede externa. Para ligar o resistor a uma fonte externa ao recipiente foi utilizado um fio, com isolamento térmico que impede transferência de calor para as paredes do recipiente. Essa situação encontra-se ilustrada na figura a seguir. vácuo termômetro metal R ww + - Ligando o resistor, nota-se que a temperatura indicada pelo termômetro aumenta, mostrando que há transferência de calor entre o resistor e o termômetro. Pode-se afirmar que os processos responsáveis por essa transferência de calor, na ordem correta são: a) Primeiro convecção e depois radiação b) Primeiro convecção e depois condução c) Primeiro radiação e depois convecção d) Primeiro radiação e depois condução e) Primeiro condução e depois convecção. 6

7 6) A sala de aula será refrigerada de modo a manter a temperatura constante de 23 o C. Considere que a temperatura externa atinja um máximo de 33 o C. Calcule o fluxo de calor transferido por condução, através das paredes, teto e piso da sala e indique, dentre os valores apresentados na tabela abaixo, a potência mínima que um aparelho de ar-condicionado deve possuir para satisfazer as condições desejadas. Dados: condutividade térmica média das paredes teto e piso K= Kcal/(s.m. o C); espessura média das paredes, teto e piso e= 10cm; área das paredes, teto e piso A=50m 2. Despreze as trocas de calor por convecção e irradiação. (resp.: 1kcal/s aparelho 4) Aparelho Potência btu/h ou 0,525 Kcal/s btu/h ou 0,700 Kcal/s btu/h ou 0, 840 Kcal/s btu/h ou 1,260 Kcal/s /h ou 1,470 Kcal/s 7) Um casaco de lã tem espessura de 2cm e área aproximadamente de 1,5m 2. A temperatura da pele da pessoa é de 34 o C e a do ambiente 4 o C. No estado estacionário, calcule o calor transmitido pelo casaco durante 1 hora. (use K lã = J/s.m o C). (resp. 243KJ). 8) O fundo de uma panela de alumínio tem espessura de 0,6 cm e área de 500 cm 2. Quando ela está sobre uma chama, as temperaturas na face interior e inferior são, respectivamente 120º C e 260º C. Sendo K al =0,5cal/s.cm o C, calcule o fluxo calorífico através do fundo da panela. (resp cal/s) 7