2 Disciplinas Professores Natureza Trimestre/Ano Data da entrega Valor

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1 Nome Nº Ano/Série Ensino Turma 2 Disciplinas Professores Natureza Trimestre/Ano Data da entrega Valor Física Carlos A8/TI 2º/ /08/2016 5,0 Introdução: Querido(a) aluno(a), Este material foi elaborado para que você tenha a oportunidade de revisar os assuntos que serão avaliados na prova trimestral de agosto. Siga as orientações de estudo e refaça as questões trabalhadas em sala de aula e no material didático. As questões complementares presentes nesse documento deverão ser entregues na data indicada, pois elas serão avaliadas e farão parte da sua nota de 2º trim. Conteúdos/Temas Indicações no material didático Propagação do Calor Capítulo 7 Termodinâmica Capítulo 9 Orientações para estudo Estabeleça um local agradável e adequado para estudar. Uma mesa e cadeira, com boa iluminação e longe de interferências externas. Estude a quantidade de horas necessárias para o entendimento da matéria. Reúna e analise as avaliações que tivemos neste 1º semestre. Após isso, faça o seguinte: Observando seus acertos e erros, identifique os exercícios que você apresentou maiores dificuldades. Busque, em seu material, anotações, exemplos, exercícios ou problemas referentes ao que você destacou como dúvida ou dificuldade. Revise os capítulos de seu livro. Refaça exercícios comparando a sua resolução com o que já foi corrigido no seu livro ou caderno. Resolva os exercícios complementares de revisão, com atenção e seriedade, procurando sempre esclarecer todas as suas dúvidas. Participe efetivamente das aulas de revisão de agosto, aproveitando a presença do professor para sanar suas dúvidas. Apenas a visualização da resolução nos dá uma falsa ideia de entendimento. Portanto, não apenas acompanhe os exemplos e exercícios, copie-os, tente resolvê-los em seguida, faça a correção. Não utilize calculadora durante a resolução dos exercícios propostos. É importante ressaltar que o aprendizado de um assunto matemático exige o domínio de outros, pois o conhecimento do básico é imprescindível para compreender o complexo. Portanto, se necessário, faça uma revisão de conteúdos anteriores. Critérios de correção Os seguintes aspectos serão considerados na correção desse material: 1. Organização, legibilidade e qualidades gerais do material entregue. 2. Clareza e resolução completa (e correta) dos exercícios propostos em cada uma das partes.

2 Propagação do Calor 1. Fluxo de calor A propagação do calor pode ocorrer por três processos diferentes: condução, convecção e irradiação. Para os três modos de propagação definimos a grandeza denominada fluxo de calor: Em que Q é a quantidade de calor transmitida e Δt o intervalo de tempo correspondente. Unidades de fluxo de calor: cal/s, cal/min, W (watt) 2. Condução térmica Transmissão em que a energia térmica se propaga por meio da agitação molecular. A condução térmica não ocorre no vácuo. 3. Lei de Fourier Em que K é o coeficiente de condutibilidade térmica do material.

3 Os bons condutores, como os metais, têm valor elevado para a constante K; já os isolantes térmicos (madeira, isopor, lã, etc.) têm valor baixo para a constante K. 4. Convecção térmica Transmissão de energia térmica, que ocorre nos fluidos, devido à movimentação do próprio material aquecido, cuja densidade varia com a temperatura. Correntes de convecção Ascendente, formada por fluido quente. Descendente, formada por fluido frio. 5. Irradiação Transmissão de energia por meio de ondas eletromagnéticas (ondas de rádio, luz visível, ultravioleta etc.). Quando estas ondas são raios infravermelhos, falamos em irradiação térmica. Quando a energia radiante (energia que se propaga por meio de ondas eletromagnética) atinge a superfície de um corpo ela é parcialmente absorvida, parcialmente refletida e parcialmente transmitida através do corpo. A parcela absorvida aumenta a energia de agitação das moléculas constituintes do corpo (energia térmica). As radiações infravermelhas são as mais facilmente absorvidas, isto é, são as que mais facilmente se transformam em energia térmica. 6. Efeito estufa Substâncias presentes na atmosfera terrestre (CO2, vapor de água, metano, etc.) limitam a transferência de calor da Terra para o espaço, durante a noite, mantendo assim um ambiente adequado para a vida. A intensificação desse efeito, devido à ação humana, está provocando o aquecimento global, com graves consequências para o planeta. 7. Garrafa térmica Dispositivo no qual são minimizados os três processos de transmissão de calor. O vácuo entre as paredes duplas evita a condução. A boa vedação da garrafa evita a convecção. O espelhamento interno e externo das paredes reduz ao mínimo a irradiação.

4 Exercícios 1 - Indique a alternativa que associa corretamente o tipo predominante de transferência de calor que ocorre nos fenômenos, na seguinte sequência: - Aquecimento de uma barra de ferro quando sua extremidade é colocada numa chama acesa. - Aquecimento o corpo humano quando exposto ao sol. - Vento que sopra da terra para o mar durante a noite. a) convecção - condução - radiação b) convecção - radiação - condução c) condução - convecção - radiação d) condução - radiação - convecção e) radiação - condução - convecção 2 - Sabe-se que o calor específico da água é maior que o calor específico da terra e de seus constituintes (rocha, areia, etc.). Em face disso, pode-se afirmar que, nas regiões limítrofes entre a terra e o mar: a) durante o dia, há vento soprando do mar para a terra e, à noite, o vento sopra no sentido oposto; b) o vento sempre sopra sentido terra-mar; c) durante o dia, o vento sopra da terra para o mar e, à noite o vento sopra da mar para a terra; d) o vento sempre sopra do mar para a terra; e) não há vento algum entre a terra e o mar. 3 - O congelador é colocado na parte superior dos refrigeradores, pois o ar se resfria nas proximidades dele,... a densidade e desce. O ar quente que está na parte de baixo, por ser..., sobe e resfria-se nas proximidades do congelador. Nesse caso, o processo de transferência de energia na forma de calor recebe o nome de.... Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas. a) aumenta - mais denso - convecção b) diminui - mais denso - condução c) aumenta - menos denso - condução d) diminui - menos denso - irradiação e) aumenta - menos denso - convecção 4 - A figura I mostra uma barra metálica de secção transversal quadrada. Suponha que 10 cal fluam em regime estacionário através da barra, de um extremo para outro, em 2 minutos. Em seguida, a barra é cortada ao meio no sentido transversal e os dois pedaços são soldados como representa a figura II. O tempo necessário para que 10cal fluam entre os extremos da barra assim formada é: a) 4 min b) 3 min c) 2 min d) 1 min e) 0,5 min

5 5 - O chamado "efeito estufa", devido ao excesso de gás carbônico presente na atmosfera, provocado pelos poluentes, faz aumentar a temperatura por que: a) a atmosfera é transparente à energia radiante do Sol e opaca às ondas de calor; b) a atmosfera é opaca à energia radiante do Sol e transparente para ondas de calor; c) a atmosfera é transparente tanto para a energia radiante do Sol como para as ondas de calor; d) a atmosfera funciona como um meio refletor para a energia radiante e como meio absorvente para a energia térmica. 6 - As garrafas térmicas são frascos de paredes duplas, entre as quais é feito o vácuo. As faces destas paredes que estão frente a frente são espelhadas. O vácuo entre as duas paredes tem a função de evitar: a) somente a condução b) somente a irradiação c) a condução e a convecção d) somente a convecção e) a condução e a irradiação 7 - As garrafas térmicas são frascos de paredes duplas, entre as quais é feito o vácuo. As faces destas paredes que estão frente a frente são espelhadas. As faces das paredes são espelhadas para evitar: a) a dilatação do vidro b) a irradiação c) a condução d) a convecção e) a condução e a irradiação 8 - Algumas instalações industriais usam grandes fornos os quais possuem chaminés muito altas. A função PRINCIPAL dessas chaminés é: a) Transportar o ar das grandes alturas para o interior do forno por condutividade térmica. b) Lançar os gases residuais a grandes alturas por irradiação. c) Irradiar o calor a grandes alturas. d) Proporcionar maior renovação de ar na fornalha por convecção. e) Evitar a poluição da fumaça e fuligem. 9 - No interior de um recipiente adiabático de capacidade térmica desprezível, colocamos 500 g de gelo (calor latente de fusão = 80 cal/g) a 0 C e um corpo de ferro a 50 C, como mostra a figura a seguir. Após 10 minutos, o sistema atinge o equilíbrio térmico e observa-se que 15 g de gelo foram fundidos. O fluxo de calor que passou nesse tempo pela secção S foi de: a) 2 cal/s b) 4 cal/s c) 5 cal/s d) 6 cal/s e) 7 cal/s 10 - Uma barra de prata (K = 1,1 cal/s.cm. C) está em contato numa extremidade com gelo em fusão e na outra com vapor de água em ebulição sob pressão normal. Seu comprimento é 50 cm e a seção transversal tem 10 cm 2 de área. Sendo a barra isolada lateralmente e dados os calores latentes de fusão do gelo e de vaporização da água (LF = 80 cal/g; LV = 540 cal/g) determine: a) a massa do gelo que se funde em uma hora b) a temperatura numa seção da barra a 15 cm da extremidade quente

6 Termodinâmica 1. A Termodinâmica estuda a relação entre calor e trabalho que um sistema (por exemplo, um gás) troca com o meio exterior. Vamos exemplificar supondo que um gás se expanda ao ser aquecido num recipiente provido de um êmbolo. O gás recebe calor e a força exercida sobre o êmbolo realiza um trabalho. Supondo a transformação isobárica, isto é, a pressão p do gás permanece constante, podemos calcular o trabalho da força F. τ = p.δv Diagrama p x V (transformação qualquer) A área A é numericamente igual ao trabalho na transformação A => B τ = ÁREA V aumenta => τ > 0 => o gás realiza trabalho V diminui => τ < 0 => o gás recebe trabalho V constante => τ = 0 Diagrama p x V (transformação cíclica)

7 Na transformação A => B o gás realiza trabalho e em C => D, recebe trabalho. Quando o ciclo é percorrido no sentido horário o gás realiza trabalho sobre o meio exterior e quando o ciclo é percorrido no sentido anti-horário o gás recebe trabalho do meio exterior. 2. Energia Interna U de um sistema É a soma das várias formas de energia das moléculas que constituem o sistema. Na energia interna incluem-se, por exemplo, a energia cinética de translação e rotação das moléculas, a energia cinética devida ao movimento dos átomos que formam as moléculas, a energia potencial de ligação das moléculas. Para um gás perfeito monoatômico a energia interna U é a energia cinética de translação de suas moléculas: U = (3/2).n.R.T ΔU = (3/2).n.R.ΔT 3. Primeira Lei da Termodinâmica É o princípio da conservação da energia aplicado à Termodinâmica. Imagine que um gás receba uma quantidade de calor igual Q = 200 J. Vamos supor que o gás se expanda e realize um trabalho τ = 120 J. Os 80 J restantes ficam armazenados no gás, aumentando sua energia interna (ΔU = 80 J). As três formas de energia, Q, τ e ΔU relacionam-se, constituindo a primeira lei da Termodinâmica: U = Q - τ

8 4. Transformações Termodinâmicas

9 5. Segunda Lei da Termodinâmica Entre os vários enunciados da Segunda Lei vamos apresentar o proposto por Max Planck e Lord Kelvin, que determina as condições de funcionamento das máquinas térmicas que são os dispositivos que efetuam a conversão de calor em trabalho: "É impossível construir uma máquina, operando em ciclos, tendo como único efeito retirar calor de uma fonte e convertê-lo integralmente em trabalho". Nicolas Leonard Sadi Carnot evidenciou que para uma máquina térmica funcionar era fundamental a existência de uma diferença de temperatura. Ele estabeleceu que: Na conversão de calor em trabalho de modo contínuo, a máquina deve operar em ciclos entre duas fontes térmicas, uma fonte quente e uma fonte fria. Em cada ciclo, a máquina retira uma quantidade de calor Q 1 da fonte quente, que é parcialmente convertida em trabalho τ, e rejeita para a fonte fria a quantidade de calor Q 2 que não foi convertida. Esquematicamente: 6. Rendimento η de uma máquina térmica É o quociente entre a energia útil obtida em cada ciclo (o trabalho τ) e a energia total fornecida pela fonte quente (a quantidade de calor Q1).

10 7. Ciclo de Carnot É um ciclo teórico constituído por duas transformações isotérmicas nas temperaturas T1 e T2, respectivamente das fontes quente e fria, alternadas com duas transformações adiabáticas. AB: expansão isotérmica à temperatura T1 (fonte quente). Nesta transformação o gás recebe a quantidade de calor Q1 BC: é a expansão adiabática, na qual a temperatura diminui para T2 CD: compressão isotérmica à temperatura T2 (fonte fria). Nesta transformação o gás cede a quantidade de calor Q2 DA: compressão adiabática na qual a temperatura aumenta para T1. O trabalho obtido por ciclo corresponde à área interna dele. No ciclo de Carnot a relação Q2/Q1 é igual a T2/T1. Assim, o rendimento de uma máquina térmica operando com o ciclo de Carnot é dado por: Importante: o máximo rendimento teoricamente possível de uma máquina térmica funcionando entre as duas temperaturas T1 e T2, das fontes quente e fria, é quando opera segundo o ciclo de Carnot. Exercícios 11 - Numa transformação sob pressão constante de 800 N/m 2, o volume de um gás ideal se altera de 0,020 m 3 para 0,060 m 3. Determine o trabalho realizado durante a expansão do gás Um gás ideal, sob pressão constante de N/m 2, tem seu volume total reduzido de m 3 para m 3. Determine o trabalho realizado no processo Sob pressão constante de 50 N/m 2, o volume de um gás varia de 0,07 m 3 a 0,09 m 3. a) O trabalho foi realizado pelo gás ou sobre o gás pelo meio exterior? justifique a sua resposta. b) Quanto vale o trabalho realizado?

11 14 - As figuras representam a transformação sofrida por um gás. Determinar o trabalho realizado de A para B em cada processo. a) P (N/m 2 ) 20 A B 0 5 V (m 3 ) b) P (N/m 2 ) 30 A 0 6 V (m 3 ) B c) P (N/m 2 ) 10 A B V (m 3 ) d) P (N/m 2 ) 8 B 2 A 0 0,5 2 V (m 3 )

12 15 - Um gás recebe um trabalho de 150 J e absorve uma quantidade de calor de 320 J. Determine a variação da energia interna do sistema Um gás passa de um estado a outro trocando energia com o meio. Calcule a variação da energia interna do gás nos seguintes casos: a) O gás recebeu 100 J de calor e realizou um trabalho de 80 J. b) O gás recebeu 100 J de calor e o trabalho realizado sobre ele é 80 J. c) O gás cedeu 100 J de calor e o trabalho realizado sobre ele é 80 J Uma máquina térmica recebe da fonte quente, em cada ciclo, uma quantidade de calor de 400 cal e rejeita 320 cal para a fonte fria. Determine: a) o trabalho que a máquina realiza em cada ciclo. Dê a resposta em joules. b) o rendimento da máquina em questão. Dado: 1 cal = 4,18 J 18 - Uma máquina térmica recebe da fonte quente, em cada ciclo, uma quantidade de calor de 2000 J. Sabendo-se que o rendimento da máquina é de 10 %, determine: a) o trabalho que a máquina realiza em cada ciclo. b) a quantidade de calor rejeitada para a fonte fria Considere uma máquina térmica teórica funcionando segundo o ciclo de Carnot entre as temperaturas de 327 C e 127 C, apresentando um trabalho útil de 800 J por ciclo. Determine, para essa máquina teórica: a) o rendimento b) a quantidade de calor que, em cada ciclo é retirada da fonte quente c) a quantidade de calor rejeitada por ciclo para a fonte fria É possível construir uma máquina térmica, operando entre as temperaturas de 400 K e 300 K, que forneça 800 J de trabalho útil, retirando 2000 J da fonte quente?