CENTRO EDUCACIONAL CHARLES DARWIN

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2 FÍSICA 1 Estude nas apostilas: Física Térmica e Termodinâmica Curiosidade: a unidade de temperatura no SI (Sistema Internacional de Unidades) é o Kelvin. Na tabela seguinte, alguns valores importantes em Kelvin. Temperatura (KELVIN) Fenômeno Físico 0 Zero absoluto (- 273ºC) 1 Solidificação do hélio 4 Ebulição do hélio 20 Ebulição do hidrogênio 45 Temperatura na superfície de Plutão 90 Ebulição do oxigênio 234 Fusão do mercúrio 273 Solidificação da água 373 Ebulição da água 900 Vapor no interior de máquinas térmicas Fusão do ferro Filamento das lâmpadas de tungstênio Ebulição do carbono 6000 a Temperatura na superfície das estrelas Ebulição do tungstênio Temperatura no centro de uma explosão atômica 10 6 Temperatura da coroa solar 10 7 a 10 8 Temperatura no interior das estrelas 10 8 Bomba de hidrogênio Exercícios 1. Assinale a alternativa ERRADA. a) Dizemos que dois corpos estão em equilíbrio térmico, quando após trocarem calor, atingem a mesma temperatura. b) Temperatura é uma grandeza física escalar que representa uma "energia em trânsito" passando dos corpos mais quentes para os corpos mais frios. c) Temperatura é uma grandeza física escalar que mede o grau de agitação térmica das moléculas que constituem um corpo. d) Calor não é uma variável de estado (propriedade ou característica do sistema ou corpo). e) Calor é uma grandeza física escalar que representa uma "energia em trânsito" passando dos corpos de maior temperatura para os corpos de menor temperatura. 2. O gráfico a seguir relaciona as escalas termométricas Celsius e Fahrenheit. Deduza a equação de conversão de temperatura da escala Fahrenheit para a escala Celsius. 1

3 3. Um mecânico, medindo a temperatura de um dispositivo do motor do carro de um turista americano, usou um termômetro cuja leitura digital foi de 92 C. Para que o turista entendesse melhor a temperatura, o mecânico teve de converter a unidade de temperatura para Fahrenheit. Qual foi o valor da temperatura após esta conversão? 5. Um estudante da segunda série do ensino médio aprendeu com o seu professor de física que qualquer pessoa pode "criar" uma escala de temperatura, desde que estabeleça duas referências conhecidas como pontos fixos. Esse estudante escolheu a sua idade, 17 anos, como equivalente ao ponto de fusão do gelo, e a idade de seu avô, 72 anos, como correspondente ao ponto de vaporização da água. Que valor indicaria sua escala para a temperatura de 20ºC? 4. Os termômetros de uma base inglesa na Antarctica indicam 58ºF. Se você estivesse lá, fazendo parte de uma expedição científica brasileira, relataria esta temperatura para o Brasil como sendo: a) 14ºC b) 36ºC c) 50ºC d) 58ºC e) 136ºC 6. Uma panela com água é aquecida de 25 C para 80 C. A variação de temperatura sofrida pela panela com água, nas escalas Kelvin e Fahrenheit, foi de: a) 32 K e 105 F b) 55 K e 99 F c) 57 K e 105 F d) 99 K e 105 F e) 105 K e 32 F 2

4 7. Um atleta envolve sua perna com uma bolsa de água quente, contendo 600 g de água à temperatura inicial de 363 K. Após quatro horas ele observa que a temperatura da água é de 42 C. A perda média de energia da água por unidade de tempo é: b) o calor específico da substância na fase sólida (em cal/g C). a) 2 cal/s b) 18 cal/s c) 120 cal/s d) 8,4 cal/s e) 1 cal/s. c) o calor específico da substância na fase líquida (em cal/g C). 8. Uma fonte térmica, de potência constante e igual a 20 cal/s, fornece calor a um corpo sólido de massa 100 g. A variação de temperatura do corpo em função do tempo t é dada pelo gráfico a seguir. Com relação à substância que constitui o corpo, calcule: 9. Qual o valor (em unidades de quilocalorias) do calor liberado quando cem gramas de vapor d'água a 100 C condensam para formar água líquida a 10 C? a) o calor latente de fusão (em cal/g). 3

5 10. Um ser humano adulto e saudável consome, em média, uma potência de 120 J/s. Uma "caloria alimentar" (1 kcal) corresponde, aproximadamente, a 4x10 3 J. Para nos mantermos saudáveis, quantas "calorias alimentares" devemos utilizar, por dia, a partir dos alimentos que ingerimos? 12. Uma panela de ferro (c = 0,1 cal/g C) de massa 2500 g está à temperatura de 20 C. Derrama-se nela 1 litro de água a 80 C. Admitindo que só haja trocas de calor entre a água e a panela, determine a temperatura de equilíbrio térmico. 11. Calor de combustão é a quantidade de calor liberada na queima de uma unidade de massa do combustível. O calor de combustão do gás de cozinha é 6000 kcal/kg. Aproximadamente quantos litros de água à temperatura de 20 C podem ser aquecidos até a temperatura de 100 C com um bujão de gás de 13 kg? Despreze as perdas de calor. 13. A temperatura adequada de um soro fisiológico utilizado para limpeza de lentes de contato é 35 C. A quantidade de soro a 20 C, que deve ser adicionada a 100 gramas desse soro à 80 C, para a mistura atingir a temperatura adequada é: a) 300 g b) 250 g c) 200 g d) 150 g e) 100 g 4

6 14. Uma fonte de calor, ao nível do mar, funcionou durante 20 minutos, fornecendo a quantidade de calorias necessárias para que 400 g de água a 15ºC, contida em um recipiente, entrassem em ebulição e, além disso, 100 g da quantidade inicial se transformassem em vapor de água a 100ºC. Desprezando a capacidade térmica do recipiente, determine a potência da fonte de calor, em cal/min. Dados para a água: calor específico = 1,0 cal/gºc; calor latente de vaporização = 540 cal/g. a) o calor latente de fusão da substância em cal/g. b) o calor específico da substância no estado líquido cal/g C. 15. Um experimento foi realizado com o objetivo de determinar as características de determinada substância. Para tanto, tomou-se uma amostra de 200 g da substância a -40ºC. Com a ajuda de uma fonte térmica de potência constante e igual a 1200 W e evitando qualquer perda de calor para o meio ambiente, traçou-se a curva de aquecimento representada abaixo. Assumindo 1 cal = 4 J, determine: c) a temperatura de vaporização da substância. 5

7 16. Maria e João estavam acampados numa praia de Vila Velha onde a temperatura ambiente era de 30ºC ao meio-dia. Nesse momento, verificaram que 3 litros de água mineral estavam na temperatura ambiente. Resolveram então baixar a temperatura da água, colocando-a num recipiente de isopor juntamente com 400 g de gelo a -5ºC. Após a fusão de todo o gelo, e estabelecido o equilíbrio térmico da mistura, qual era aproximadamente a temperatura da água? Dados: L gelo = 80 cal/g; c gelo = 0,5 cal/gºc; c água = 1,0 cal/gºc. Considerando: Um calorímetro de capacidade térmica 40 cal/ C contém 110 g de água (calor e específico = 1 cal/g C) a 90 C. Determine a massa de alumínio (calor específico = 0,2 cal/g C), a 20 C, que devemos colocar nesse calorímetro para esfriar a água a 80 C. 17. O calorímetro é um aparelho isolado termicamente do meio ambiente e muito utilizado nos laboratórios de ensino para fazer estudos sobre a quantidade de calor trocado entre dois ou mais corpos de temperaturas diferentes. É um recipiente de formato bem simples, construído para que não ocorra troca de calor entre o mesmo e o meio ambiente. Existem vários formatos de calorímetro, mas todos são constituídos basicamente de um recipiente de paredes finas que é envolvido por outro recipiente fechado de paredes mais grossas e isolantes. O calorímetro evita a entrada ou saída de calor assim como na garrafa térmica, por exemplo. 6

8 FÍSICA 2 1. Considere duas pequenas esferas condutoras iguais, separadas pela distância d = 20 cm. Uma delas possui carga Q 1 = +6µC e a outra Q 2 = 2µC. 2. Um caminhão tanque, após percorrer um longo trajeto enfrentando um clima muito seco, adquire carga elétrica devido ao atrito com o ar. Após algumas medidas, verificase que sua carga elétrica, em módulo, é de 80 nc. a) Calcule a intensidade da força elétrica F de uma esfera sobre a outra, declarando se a força é atrativa ou repulsiva. a) Determine a quantidade de elétrons trocados entre o ar e a superfície do caminhão. b) A seguir, as esferas são colocadas em contato uma com a outra e recolocadas em suas posições originais. Para esta nova situação, calcule a força elétrica F de uma esfera sobre a outra, declarando se a força é atrativa ou repulsiva. b) Alguns caminhões tanque possuem uma corrente metálica que vai se arrastando pelo chão. Justifique a utilidade dessa corrente. 7

9 3. Quatro esferas metálicas e idênticas possuem as seguintes cargas: Esfera A com carga Q, esfera B com carga 2Q, esfera C com carga +2Q e a esfera D está descarregada (neutra). Elas são postas em contato até que atinjam o equilíbrio elétrico, da seguinte forma: 1º - A esfera A entra em contato com a esfera B e após atingirem o equilíbrio elétrico elas são separadas; 2º - A nova carga da esfera A entra em contato com a esfera D e após atingirem o equilíbrio elétrico elas são separadas; 3º - A esfera A, após a segunda operação, entra em contato com a esfera C e após atingirem o equilíbrio elétrico elas são separadas. 5. (UFU-MG) A figura abaixo representa uma carga Q e um ponto P do seu campo elétrico, onde é colocada uma carga de prova q. Analise as afirmativas abaixo, observando se elas representam corretamente o sentido do vetor campo elétrico em P e da força que atua sobre q. Calcule a carga final da esfera A. São corretas: a) todas as afirmações. b) apenas I, II e III. c) apenas II, III e IV. d) apenas III e IV. e) apenas II e III. 4. Uma carga elétrica puntiforme com 4,0 C, que é colocada em um ponto P do vácuo, fica sujeita a uma força elétrica de intensidade 1,2 N. O campo elétrico nesse ponto P tem intensidade de: a) 3, N/C b) 2, N/C c) 1, N/C d) 4, N/C e) 4, N/C 6. O gerador eletrostático de Van de Graaf, apresentado de modo extremamente simplificado no esquema (figura A), consiste basicamente em um condutor esférico metálico e oco C no qual se acumulam cargas elétricas em sua superfície externa. Esse condutor é sustentado por suportes isolantes, de modo a manter a carga elétrica que armazena. Considerando a esfera do gerador como um corpo puntiforme, podemos representála pela forma simplificada a seguir (figura B). Após ligarmos o gerador por algum tempo, sua esfera adquire, através do atrito, uma carga de 20 C. Considere a constante eletrostática do meio igual a constante eletrostática para o vácuo. Qual das alternativas a seguir representa a intensidade, a direção e o sentido do campo elétrico no ponto P situado a 30 cm da esfera do gerador? 8

10 7. A mão da garota da figura toca a esfera eletrizada de uma máquina eletrostática conhecida como gerador de Van de Graaf. a) b) P 2,0 10 2, N C N C ; ; Figura A P Q Figura B P q Q A respeito do descrito e com os conhecimentos adquiridos nas aulas de laboratório de Física, são feitas as seguintes afirmações: I. Os fios de cabelo da garota adquirem cargas elétricas de mesmo sinal e por isso se repelem. II. O clima seco facilita o acúmulo de cargas elétricas em um corpo, favorecendo o fenômeno observado no cabelo da garota. III. Se um garoto encostasse na menina da foto ele não levaria choque, pois ele não está em contato direto com o gerador. Está correto o que se lê em: c) d) 2, N C ; 3 N 2,0 10 ; C P P a) I, apenas. b) I e II, apenas. c) I e III, apenas. d) II e III, apenas. e) I, II e III. e) 2, N C ; P 8. Robert Millikan verificou experimentalmente que a carga elétrica que um corpo adquire é sempre um múltiplo inteiro da carga do elétron. Seu experimento consistiu em pulverizar óleo entre duas placas planas, paralelas e horizontais, entre as quais havia um campo elétrico uniforme. A maioria das gotas de óleo pulverizadas se carrega por atrito. Considere que uma dessas gotas negativamente carregada tenha ficado em repouso entre as placas, como mostra a figura. 9

11 Suponha que o módulo do campo elétrico entre as placas seja igual a 2, N/C e que a massa da gota seja 6, kg. Adote g = 10 m/s A figura esquematiza o experimento de Robert Millikan para a obtenção do valor da carga do elétron. O vaporizador borrifa gotas de óleo extremamente pequenas que, no seu processo de formação, são eletrizadas e, ao passar por um pequeno orifício, ficam sujeitas a um campo elétrico uniforme, estabelecido entre as duas placas A e B, mostradas na figura. a) Determine o valor da carga elétrica das gotas de óleo. b) Sabendo que o módulo da carga elementar vale 1, C, calcule quantos elétrons em excesso essa gota possui. Variando adequadamente a ddp entre as placas, Millikan conseguiu estabelecer uma situação na qual a gotícula mantinha-se em equilíbrio. Conseguiu medir cargas de milhares de gotículas e concluiu que os valores eram sempre múltiplos inteiros de 1, C (a carga do elétron). Em uma aproximação da investigação descrita, pode-se considerar que uma gotícula de massa 1, kg atingiu o equilíbrio entre placas, A e B, separadas de 2 cm, estando sujeita apenas às ações dos campos elétrico e gravitacional. Supondo que entre as placas estabeleça-se uma ddp de 6, V, a carga da gotícula será de: a) 2, C b) 3, C c) 4, C d) 8, C e) 1, C 10

12 10. O gerador eletrostático de Van de Graaf, apresentado de modo extremamente simplificado no esquema (figura A), consiste basicamente em um condutor esférico metálico e oco C no qual se acumulam cargas elétricas em sua superfície externa. Esse condutor é sustentado por suportes isolantes, de modo a manter a carga elétrica que armazena. Considerando a esfera do gerador como um corpo puntiforme, podemos representála pela forma simplificada a seguir (figura B). Após ligarmos o gerador por algum tempo, sua esfera adquire uma carga de +20 C. Considere a constante eletrostática do meio igual a do vácuo. O trabalho realizado pela força elétrica quando uma carga q=+2 C é deslocada do ponto A ao ponto B do campo elétrico é de: B Figura A 30cm A 20cm +Q 11. Como surgem os relâmpagos? Um relâmpago é uma corrente elétrica muito intensa que ocorre na atmosfera. Ele é consequência do movimento de elétrons de um lugar para outro. Os elétrons se movem tão rapidamente que fazem o ar ao seu redor se iluminar, resultando em um clarão, e se aquecer, provocando o som do trovão. Segundo o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), o relâmpago tem normalmente "duração de meio segundo e trajetória com comprimento de 5 km a 10 km." Em termos gerais, existem dois tipos de relâmpagos: relâmpagos na nuvem (cerca de 70% do total) e relâmpagos no solo, que podem ser do tipo nuvem-solo ou solonuvem. Mais de 99% dos relâmpagos no solo são relâmpagos nuvem-solo. De acordo com o Inpe, a afirmação de que espelhos atraem raios não passa de um mito. O instituto também afirma que um relâmpago pode cair mais de uma vez no mesmo lugar. Outra curiosidade: em média, aviões comerciais são atingidos por relâmpagos uma vez por ano, em geral, durante procedimento de aterrissagem ou decolagem, em alturas inferiores a cerca de 5 km. "Como consequência, a fuselagem do avião sofre avarias superficiais", informou o Inpe. a) J b) J c) J d) J e) J Figura B Uma nuvem está com o potencial de V em relação a terra. Uma carga de 40 C é transferida por um raio da nuvem a terra. O trabalho realizado para transferir essa carga foi de: a) 5, J b) 3, J c) 2, J d) 4, J e) 4, J 11

13 12. O tubo de imagem de um televisor está representado, esquematicamente, na Figura I. Elétrons são acelerados da parte de trás desse tubo em direção ao centro da tela por uma diferença de potencial. Quatro bobinas K, L, M e N produzem campos magnéticos variáveis, que modificam a direção dos elétrons, fazendo com que estes atinjam a tela em diferentes posições, formando uma imagem, como ilustrado na Figura II. 13. O gráfico mostra a variação da corrente elétrica I, em ampère, num fio em função do tempo t, em segundos. Qual a carga elétrica, em Coulomb, que passa por uma seção transversal do condutor nos primeiros 7,0 segundos? Figura I Figura II Se em um tubo de imagem, os elétrons são acelerados em direção à tela, cada um, realizando um trabalho de J e sendo a carga de um elétron 1, C, a diferença de potencial responsável pela aceleração dos elétrons vale, em volts: a) 6 b) 14 c) 16 d) 20 e) 22 a) 6, b) c) 2, d) 2, e) Dados: Carga elementar: ; Constante eletrostática para o vácuo: 9 N m k o C g = 10 m/s 2. 2 ; e 1, C 14. Uma das aplicações dos raios X é na observação dos ossos do corpo humano. 12

14 Os raios X são obtidos quando elétrons emitidos por um filamento aquecido são acelerados por um campo elétrico e atingem um alvo metálico com velocidade muito grande. Se elétrons atingem o alvo por segundo, a corrente elétrica no tubo, em A, é de: a) 1, b) 0,08 c) 0,16 d) 0,32 e) 3,20 13