Aula 11 Mudança de Estado Físico Questões Atuais Vestibulares de SP

Transcrição

1 1. (Fuvest 011) Um forno solar simples foi construído com uma caixa de isopor, forrada internamente com papel alumínio e fechada com uma tampa de vidro de 40 cm x 50 cm. Dentro desse forno, foi colocada uma pequena panela contendo 1 xícara de arroz e 300 ml de água à temperatura ambiente de 5 ºC. Suponha que os raios solares incidam perpendicularmente à tampa de vidro e que toda a energia incidente na tampa do forno a atravesse e seja absorvida pela água. Para essas condições, calcule: a) A potência solar total P absorvida pela água. b) A energia E necessária para aquecer o conteúdo da panela até 100 ºC. c) O tempo total T necessário para aquecer o conteúdo da panela até 100 ºC e evaporar 1/3 da água nessa temperatura (cozer o arroz). NOTE E ADOTE Potência solar incidente na superfície da Terra: 1 kw/m Densidade da água: 1 g/cm 3 Calor específico da água: 4 J/(g ºC) Calor latente de evaporação da água: 00 J/g Desconsidere as capacidades caloríficas do arroz e da panela.. (Pucsp 010) Um cubo de gelo de massa 100 g e temperatura inicial -10 ºC é colocado no interior de um micro-ondas. Após 5 minutos de funcionamento, restava apenas vapor d' água. Considerando que toda a energia foi totalmente absorvida pela massa de gelo (desconsidere qualquer tipo de perda) e que o fornecimento de energia foi constante, determine a potência utilizada, em W. São dados: Pressão local = 1 atm Calor específico do gelo = 0,5 cal.g C -1 Calor específico da água líquida = 1,0 cal.g C -1 Calor latente de fusão da água = 80 cal. g -1 Calor de vaporização da água = 540 cal.g -1 1 cal = 4, J a) 1008 b) 896 c) 1015 d) 903 e) 151 Página 1 de 6

2 3. (Unesp 009) Em um acampamento, um grupo de estudantes coloca 0,50 L de água, à temperatura ambiente de 0 ºC, para ferver, em um lugar onde a pressão atmosférica é normal. Depois de 5,0 min, observam que a água começa a ferver, mas distraem-se, e só tiram a panela do fogão depois de mais 10 min, durante os quais a água continuou fervendo. Qual a potência calorífica do fogão e o volume de água contido na panela ao final desses 15 min de aquecimento? Despreze o calor perdido para o ambiente e o calor absorvido pelo material de que é feita a panela; suponha que o fogão forneça calor com potência constante durante todo tempo. Adote para a densidade da água: ρ água = 1,0 kg / L São dados: 3 calor específico da água: = ( ) c 4, 10 J / kg. º C ; água calor latente de vaporização da água: Lágua 6 =,3 10 J / kg. Dê a resposta com dois algarismos significativos. 4. (Unifesp 009) 0,50 kg de uma substância a temperatura T 0 = 40 C, na fase líquida, é colocado no interior de um refrigerador, até que a sua temperatura atinja T 1 = -10 C. A quantidade de calor transferida em função da temperatura é apresentada no gráfico da figura. A parte do gráfico correspondente ao intervalo de -10 C a,0 foi ampliada e inserida na figura, à direita do gráfico completo. Calcule: a) O calor latente específico de solidificação. b) O calor específico na fase sólida. Página de 6

3 5. (Enem cancelado 009) A água apresenta propriedades físico-químicas que a coloca em posição de destaque como substância essencial à vida. Dentre essas, destacam-se as propriedades térmicas biologicamente muito importantes, por exemplo, o elevado valor de calor latente de vaporização. Esse calor latente refere-se à quantidade de calor que deve ser adicionada a um líquido em seu ponto de ebulição, por unidade de massa, para convertêlo em vapor na mesma temperatura, que no caso da água é igual a 540 calorias por grama. A propriedade físico-química mencionada no texto confere à água a capacidade de a) servir como doador de elétrons no processo de fotossíntese. b) funcionar como regulador térmico para os organismos vivos. c) agir como solvente universal nos tecidos animais e vegetais. d) transportar os íons de ferro e magnésio nos tecidos vegetais. e) funcionar como mantenedora do metabolismo nos organismos vivos. 6. (Fuvest 008) Um aquecedor elétrico é mergulhado em um recipiente com água a 10 C e, cinco minutos depois, a água começa a ferver a 100 C. Se o aquecedor não for desligado, toda a água irá evaporar e o aquecedor será danificado. Considerando o momento em que a água começa a ferver, a evaporação de toda a água ocorrerá em um intervalo de aproximadamente Calor específico da água = 1,0 cal/(g C) Calor de vaporização da água = 540 cal/g Desconsidere perdas de calor para o recipiente, para o ambiente e para o próprio aquecedor. a) 5 minutos. b) 10 minutos. c) 1 minutos. d) 15 minutos. e) 30 minutos. 7. (Unesp 008) Ao ser anunciada a descoberta de novo planeta em torno da estrela Gliese581 e a possível presença de água na fase líquida em sua superfície, reavivou-se a discussão sobre a possibilidade de vida em outros sistemas. Especula-se que as temperaturas na superfície do planeta são semelhantes às da Terra e a pressão atmosférica na sua superfície é estimada como sendo o dobro da pressão na superfície da Terra. A essa pressão, considere que o calor latente de vaporização da água no novo planeta seja 56 cal/g e a água atinja o ponto de ebulição a 10 C. Calcule a quantidade necessária de calor para transformar 1 kg de água a 5 C totalmente em vapor naquelas condições, considerando o calor específico da água 1 cal/g. Página 3 de 6

4 Gabarito: Resposta da questão 1: Dados: A = =.000 cm = 0, m área de captação. V = 300 ml = 300 cm 3 volume de água. θ 0 = 5 C temperatura inicial da água. θ = 100 C temperatura de ebulição da água. I S = 1 kw/m Intensidade solar local. c = 4 J/g C calor específico sensível da água. L ev =.00 J/g calor específico latente de evaporação da água. d = 1 g/cm 3 densidade da água. P kw a) I S = P = IS A = 1 0, m = 0, kw P = 00 W. A m b) E = m c θ E = 300 (4) (100 5) E = J. c) A massa de água é: m = d V = 1 (300) = 300 g. Para evaporar 1/3 dessa massa de água, a quantidade de energia é: m 300 Eev = Lev = (.00) E ev = 10 4 J. 3 3 A quantidade de energia necessária até 1/3 da massa de água ser evaporada é: E total = E + E ev = ( 9 + ) 10 4 = J. Calculando o tempo gasto até o momento considerado: 4 Etotal Etotal P = T = = T = s. T P 00 Resposta da questão : [C] Dados: m = 100 g; c gelo = 0,5 cal/g. C; L fusão = 80 cal/g; c água = 1 cal/g. C; L vap = 540 cal/g; t = 5 min = 300 s e 1 cal = 4, J. A quantidade de calor total é igual ao calor sensível do gelo de 10 C até 0 C, mais o calor latente de fusão do gelo, mais o calor sensível da água de 0 C a 100 C e mais o calor de vaporização da água. Equacionando: Q = Q gelo + Q fusão + Q água + Q vaporização Q = m c gelo T gelo + m L fusão + m c água T água + m L vap Q = 100 (0,5) [0 (-10)] (80) (1) (100 0) (540) Q = = cal. Transformando em joules: Q = (4,) = J. Página 4 de 6

5 Calculando a potência: P Q = = t 300 Q = W. Resposta da questão 3: = água = ρágua = água = Dados: V 0,5 L; c 4, 10 J / kg C; 1,0 kg / L;L,3 10 J / kg; 1 ( ) Δt = 5 min = 300 s; Δt = 10 min = 600 s; ΔT = = 80 C A massa inicial de água é: M0 = ρ água V0 = 1 0,5 M0 = 0,5 kg. A quantidade de calor ( Q1 ) necessária essa massa inicial é: 3 Q1 = M0 cágua T = 0,5 4, = J. A potência é a relação entre o calor fornecido e o tempo de aquecimento: Q P = = = 560 W t P = 5, 6 10 W. Durante a ebulição, o calor absorvido é o dobro do calor de aquecimento, pois o tempo é o dobro e a potência é constante. Q = Q1 = = J. Seja m a massa de água vaporizada: Q Q = m L m = = = 0,15 kg. água 6 Lágua,3 10 A massa de água restante é: M = M m = 0,5 0,15 = 0,35 kg. 0 Calculando o volume restante: M 0,35 V = = = 0,35 L ρ 1 água 1 V = 3,5 10 L. Resposta da questão 4: De acordo com os gráficos a mudança de estado físico, solidificação, ocorreu entre as leituras de calor J (veja no gráfico maior) e J (veja no detalhe gráfico a direita) Q = m.l Página 5 de 6

6 ( ) = 0,5.L = 0,5.L L = = -3, J/kg O resfriamento na fase sólida pode ser lido no detalhe gráfico, onde se pode ver que este resfriamento ocorreu entre J e zero. Q = m.c. T ( ) = 0,5.c.(-10 0) = -5.c c = 000 J/(kg C) = kj/(kg C) Resposta da questão 5: [B] Devido ao alto calor específico da água, ela serve como regulador térmico para os seres vivos. Quando a temperatura do organismo aumenta, ele elimina água na forma de suor. Essa água, ao evaporar, absorve calor desse organismo, regulando sua temperatura. Cada 1 grama que se transforma em vapor absorve 540 cal. Resposta da questão 6: [E] Resposta da questão 7: 61 kcal. Página 6 de 6