Dados: A condutividade térmica da parede é igual a e o custo da energia elétrica em é de

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1 1. (Upe-ssa ) É muito comum o amplo uso de aparelhos de ar-condicionado durante o verão intenso do Recife. Nessa cidade, uma residência possui uma parede de área e espessura separando o ambiente interior do exterior. Se a temperatura externa é de e deseja-se manter a interna igual a qual será o gasto por hora de aparelho ligado, considerando-se, apenas, essa parede separadora? Dados: A condutividade térmica da parede é igual a e o custo da energia elétrica em é de a) b) c) d) e) 2. (Unicamp 2016) Um isolamento térmico eficiente é um constante desafio a ser superado para que o homem possa viver em condições extremas de temperatura. Para isso, o entendimento completo dos mecanismos de troca de calor é imprescindível. Em cada uma das situações descritas a seguir, você deve reconhecer o processo de troca de calor envolvido. I. As prateleiras de uma geladeira doméstica são grades vazadas, para facilitar fluxo de energia térmica até o congelador por II. O único processo de troca de calor que pode ocorrer no vácuo é por. III. Em uma garrafa térmica, é mantido vácuo entre as paredes duplas de vidro para evitar que o calor saia ou entre por. Na ordem, os processos de troca de calor utilizados para preencher as lacunas corretamente são: a) condução, convecção e radiação. b) condução, radiação e convecção. c) convecção, condução e radiação. d) convecção, radiação e condução. TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: Leia o texto para responder à(s) questão(ões) a seguir. O uso do chuveiro elétrico representa uma parcela significativa do gasto com energia elétrica em uma casa. Nos dias de maior insolação, este gasto pode ser diminuído com o uso de aquecedores solares de água. Um modelo simples e de baixo custo, construído com garrafas plásticas de refrigerante e caixas de leite, substitui com bastante eficiência painéis solares produzidos industrialmente. Observe a fotografia de um desses painéis em que sua capacidade de aquecimento está sendo testada. 1

2 Nessa construção, dezoito canos de PVC, dispostos um ao lado do outro, estão conectados em seus extremos por dois canos horizontais. Cada um dos dezoito canos é envolvido por garrafas com o fundo cortado. Dentro de cada garrafa há uma peça obtida do corte de embalagens de leite, pintada na cor preto-fosco. Desempenhando a função de reservatório de água, foi usada uma caixa de isopor. Os dois canos horizontais estão em alturas diferentes e ambos se conectam ao reservatório de água. O cano horizontal superior se conecta ao reservatório em um ponto mais acima do ponto de conexão do cano horizontal inferior. A água preenche todo o sistema, que funciona automaticamente sem o auxílio de bombas hidráulicas, uma vez que a água na tubulação do painel, aquecida pelo Sol, torna-se menos densa e sobe. Ao procurar uma posição mais elevada, ela flui para o reservatório. 3. (G1 - cps 2016) Na descrição deste painel solar, constata-se que o fluxo natural da água obedece ao fenômeno físico denominado a) condução. b) convecção. c) irradiação. d) liquefação. e) sublimação. 4. (Ufsm 2015) Em foi construído na Bolívia um hotel com a seguinte peculiaridade: todas as suas paredes são formadas por blocos de sal cristalino. Uma das características físicas desse material é sua condutividade térmica relativamente baixa, igual a A figura a seguir mostra como a temperatura varia através da parede do prédio. 2

3 Qual é o valor, em a) b) c) d) e) do módulo do fluxo de calor por unidade de área que atravessa a parede? 5. (Enem PPL 2014) Um engenheiro decidiu instalar um aquecedor solar em sua casa, conforme mostra o esquema. De acordo com as instruções de montagem, para se ter um aproveitamento máximo da incidência solar, as placas do coletor solar devem ser instaladas com um ângulo de inclinação determinado. O parâmetro que define o valor do ângulo de inclinação dessas placas coletoras é a a) altitude. b) latitude. c) longitude. d) nebulosidade. e) umidade relativa do ar. 6. (Enem PPL 2012) Em dias com baixas temperaturas, as pessoas utilizam casacos ou blusas de lã com o intuito de minimizar a sensação de frio. Fisicamente, esta sensação ocorre pelo fato de o corpo humano liberar calor, que é a energia transferida de um corpo para outro em virtude da diferença de temperatura entre eles. A utilização de vestimenta de lã diminui a sensação de frio, porque a) possui a propriedade de gerar calor. b) é constituída de material denso, o que não permite a entrada do ar frio. c) diminui a taxa de transferência de calor do corpo humano para o meio externo. d) tem como principal característica a absorção de calor, facilitando o equilíbrio térmico. e) está em contato direto com o corpo humano, facilitando a transferência de calor por condução. 7. (Enem PPL 2012) Um aquecedor solar consiste essencialmente em uma serpentina de metal, a ser exposta ao sol, por meio da qual flui água a ser aquecida. A parte inferior da serpentina é soldada a uma chapa metálica, que é o coletor solar. A forma da serpentina tem a finalidade de aumentar a área de contato com o coletor e com a própria radiação solar sem aumentar muito o tamanho do aquecedor. O metal, sendo bom condutor, transmite e energia da radiação solar absorvida para as paredes internas e, daí, por condução, para a água. A superfície deve ser recoberta com um material, denominado material seletivo quente, para que absorva o máximo de radiação solar e emita o mínimo de radiação infravermelha. Os quadros relacionam propriedades de alguns metais/ligas metálicas utilizados na confecção de aquecedores solares: Material metálico Condutividade térmica (W/m K) Zinco 116,0 Aço 52,9 cobre 411,0 3

4 Material seletivo quente A. Óxido e sulfeto de níquel e zinco aplicados sobre zinco B. Óxido e sulfeto de níquel e zinco sobre ferro galvanizado C. Óxido de cobre em alumínio anodizado Razão entre a absorbância de radiação solar e a emitância de radiação infravermelha 8,45 7,42 7,72 ACIOLI, J. L. Fontes de energia. Brasília: UnB,1994. Adaptado. Os aquecedores solares mais eficientes e, portanto, mais atrativos do ponto de vista econômico, devem ser construídos utilizando como material metálico e material seletivo quente, respectivamente, a) aço e material seletivo quente A. b) aço e material seletivo quente B. c) cobre e material seletivo quente C. d) zinco e material seletivo quente B. e) cobre e material seletivo quente A. 8. (Unimontes 2011) Duas barras metálicas de comprimentos L 1 e L 2, de materiais diferentes, estão acopladas (ver figura abaixo). A barra de comprimento L1 possui condutividade térmica k 1, e a barra de comprimento L 2 possui condutividade térmica k 2, sendo k 1 > k 2. As duas extremidades são mantidas a temperaturas fixas e diferentes, T 1 e T 2. Considere as três seções retas destacadas na figura. A seção reta 1 está na barra 1; a 2, na barra 2; a 3, na interface ou região de acoplamento das barras. Pode-se afirmar corretamente que a) o fluxo de calor na seção reta 1 é maior que o fluxo de calor na seção reta 2. b) o fluxo de calor na seção reta 2 é maior que o fluxo de calor na seção reta 1. c) o fluxo de calor na interface é nulo. d) o fluxo de calor é o mesmo em qualquer uma das três seções retas. 9. (Udesc 2010) Um sistema para aquecer água, usando energia solar, é instalado em uma casa para fornecer 400L de água quente a 60 C durante um dia. A água é fornecida para casa a 15 C e a potência média por unidade de área dos raios solares é 130 W/m 2. A área da superfície dos painéis solares necessários é: a) 9,50 m 2 b) 7,56 m 2 c) 2,00 m 2 d) 25,0 m 2 e) 6,73 m (Ime 2010) 4

5 A figura composta por dois materiais sólidos diferentes A e B, apresenta um processo de condução de calor, cujas temperaturas não variam com o tempo. É correto afirmar que a temperatura da interface desses materiais, em kelvins, é: Observações: : Temperatura da interface do material A com o meio externo : Temperatura da interface do material B com o meio externo : Coeficiente de condutividade térmica do material A : Coeficiente de condutividade térmica do material B a) 400 b) 500 c) 600 d) 700 e) (Upe 2010) Dois cilindros feitos de materiais A e B têm os mesmos comprimentos; os respectivos diâmetros estão relacionados por d A = 2 d B. Quando se mantém a mesma diferença de temperatura entre suas extremidades, eles conduzem calor à mesma taxa. As condutividades térmicas dos materiais estão relacionadas por: a) ka = k B / 4 b) ka = k B / 2 c) ka = k B d) ka = 2 k B e) ka = 4 k B TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: FIGURA 1 O que é e quais as consequências boas e más do efeito estufa? 5

6 O efeito estufa é um fenômeno causado por gases (principalmente gás carbônico, clorofluorcarboneto, metano e óxido nitroso) que estão presentes na atmosfera desde a formação da Terra, há cerca de 4 bilhões de anos. São eles os responsáveis por absorver a radiação infravermelha vinda da Terra e permitir que a temperatura na superfície fique na média de 15 C (veja o infográfico acima). Sem esses gases, a vida só seria viável para micróbios em regiões aquecidas por fontes geotermais. Publicada na Revista Nova Escola, edição 224, agosto de (adaptado) 12. (G1 - cftsc 2010) Considerando a Figura 1 como referência, analise as proposições abaixo: I O calor vindo do Sol chega à Terra pelo processo de condução. II O calor que é emitido pela Terra propaga-se pela atmosfera pelos processos de convecção e radiação. III A radiação infravermelha é mais energética que a radiação visível. Considerando as proposições apresentadas, assinale a alternativa correta. a) Apenas as proposições I e II são verdadeiras. b) Apenas a proposição I é verdadeira. c) Apenas a proposição III é verdadeira. d) Apenas as proposições II e III são verdadeiras. e) Apenas a proposição II é verdadeira. 13. (Unesp 2008) Um corpo I é colocado dentro de uma campânula de vidro transparente evacuada. Do lado externo, em ambiente à pressão atmosférica, um corpo II é colocado próximo à campânula, mas não em contato com ela, como mostra a figura. 6

7 As temperaturas dos corpos são diferentes e os pinos que os sustentam são isolantes térmicos. Considere as formas de transferência de calor entre esses corpos e aponte a alternativa correta. a) Não há troca de calor entre os corpos I e II porque não estão em contato entre si. b) Não há troca de calor entre os corpos I e II porque o ambiente no interior da campânula está evacuado. c) Não há troca de calor entre os corpos I e II porque suas temperaturas são diferentes. d) Há troca de calor entre os corpos I e II e a transferência se dá por convecção. e) Há troca de calor entre os corpos I e II e a transferência se dá por meio de radiação eletromagnética. TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: Dois cubos metálicos com dimensões idênticas, um de ouro (A), outro de chumbo (B), estão sobre uma placa aquecedora, inicialmente em temperatura ambiente. A tabela a seguir apresenta algumas das propriedades térmicas desses dois materiais. Propriedades térmicas A ouro B chumbo Condutividade térmica Coeficiente de dilatação linear Calor específico Densidade / Massa específica Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas do texto a seguir, na ordem em que aparecem. 14. (Ufrgs 2008) No topo de cada cubo é colocada uma cabeça de fósforo que fica em contato direto com o cubo. Os dois cubos são aquecidos a uma temperatura final levemente superior à de ignição do fósforo. Com base nos dados da tabela, conclui-se que o fósforo acenderá primeiro no cubo e que a aresta do cubo A será do cubo B no estado de equilíbrio térmico. a) A - menor que a b) A - maior que a c) B - maior que a d) B - menor que a e) A - igual à 15. (Enem 2007) O uso mais popular de energia solar está associado ao fornecimento de água quente para fins domésticos. Na figura a seguir, é ilustrado um aquecedor de água constituído de dois tanques pretos dentro de uma caixa termicamente isolada e com cobertura de vidro, os quais absorvem energia solar. A. Hinrichs e M. Kleinbach. Energia e meio ambiente. São Paulo: Thompson, 3 a ed., 2004, p. 529 (com adaptações). 7

8 Nesse sistema de aquecimento, a) os tanques, por serem de cor preta, são maus absorvedores de calor e reduzem as perdas de energia. b) a cobertura de vidro deixa passar a energia luminosa e reduz a perda de energia térmica utilizada para o aquecimento. c) a água circula devido à variação de energia luminosa existente entre os pontos X e Y. d) a camada refletiva tem como função armazenar energia luminosa. e) o vidro, por ser bom condutor de calor, permite que se mantenha constante a temperatura no interior da caixa. 16. (Enem 2002) Numa área de praia, a brisa marítima é uma consequência da diferença no tempo de aquecimento do solo e da água, apesar de ambos estarem submetidos às mesmas condições de irradiação solar. No local (solo) que se aquece mais rapidamente, o ar fica mais quente e sobe, deixando uma área de baixa pressão, provocando o deslocamento do ar da superfície que está mais fria (mar). À noite, ocorre um processo inverso ao que se verifica durante o dia. Como a água leva mais tempo para esquentar (de dia), mas também leva mais tempo para esfriar (à noite), o fenômeno noturno (brisa terrestre) pode ser explicado da seguinte maneira: a) O ar que está sobre a água se aquece mais; ao subir, deixa uma área de baixa pressão, causando um deslocamento de ar do continente para o mar. b) O ar mais quente desce e se desloca do continente para a água, a qual não conseguiu reter calor durante o dia. c) O ar que está sobre o mar se esfria e dissolve-se na água; forma-se, assim, um centro de baixa pressão, que atrai o ar quente do continente. d) O ar que está sobre a água se esfria, criando um centro de alta pressão que atrai massas de ar continental. e) O ar sobre o solo, mais quente, é deslocado para o mar, equilibrando a baixa temperatura do ar que está sobre o mar. 17. (Enem 2000) O resultado da conversão direta de energia solar é uma das várias formas de energia alternativa de que se dispõe. O aquecimento solar é obtido por uma placa escura coberta por vidro, pela qual passa um tubo contendo água. A água circula, conforme mostra o esquema a seguir. Fonte: Adaptado de PALZ, Wolfgang, Energia solar e fontes alternativas. Hemus, São feitas as seguintes afirmações quanto aos materiais utilizados no aquecedor solar: I. o reservatório de água quente deve ser metálico para conduzir melhor o calor. II. a cobertura de vidro tem como função reter melhor o calor, de forma semelhante ao que ocorre em uma estufa. 8

9 III. a placa utilizada é escura para absorver melhor a energia radiante do Sol, aquecendo a água com maior eficiência. Dentre as afirmações acima, pode-se dizer que, apenas está(ão) correta(s): a) I b) I e II c) II d) I e III e) II e III 18. (Enem 2013) Em um experimento foram utilizadas duas garrafas PET, uma pintada de branco e a outra de preto, acopladas cada uma a um termômetro. No ponto médio da distância entre as garrafas, foi mantida acesa, durante alguns minutos, uma lâmpada incandescente. Em seguida a lâmpada foi desligada. Durante o experimento, foram monitoradas as temperaturas das garrafas: a) enquanto a lâmpada permaneceu acesa e b) após a lâmpada ser desligada e atingirem equilíbrio térmico com o ambiente. A taxa de variação da temperatura da garrafa preta, em comparação à da branca, durante todo experimento, foi a) igual no aquecimento e igual no resfriamento. b) maior no aquecimento e igual no resfriamento. c) menor no aquecimento e igual no resfriamento. d) maior no aquecimento e menor no resfriamento. e) maior no aquecimento e maior no resfriamento. 9

10 Gabarito: Resposta da questão 1: [D] A quantidade de calor cedida para o exterior é: O gasto será: Resposta da questão 2: [D] [I] Convecção. Nas antigas geladeiras, as prateleiras são grades vazadas para que o ar frio (mais denso), desça, enquanto o ar quente (menos denso) suba. Nas modernas geladeiras, existe o dispositivo que injeta ar frio em cada compartimento, não mais necessitando de grades vazadas. [II] Radiação. Esse processo se dá através da propagação de ondas eletromagnéticas, não havendo movimento de massa, ocorrendo, portanto, também no vácuo. [III] Condução. Na verdade, condução e convecção que são os processos que movimentam massa. Resposta da questão 3: [B] Ao fenômeno da subida da água quente e da descida da água fria por diferença de densidades dá-se o nome de convecção. Resposta da questão 4: [D] De acordo com a equação de Fourier, o fluxo por unidade de área (A) é: Resposta da questão 5: [B] O aproveitamento da incidência solar é máximo quando os raios solares atingem perpendicularmente a superfície da placa. Essa calibração é otimizada de acordo com a inclinação relativa do Sol, que depende da latitude do local. Resposta da questão 6: [C] A lã é um isolante térmico dificultando o fluxo de calor do corpo humano para o ambiente. Resposta da questão 7: [E] Da simples análise da tabela, devemos escolher o material de maior condutividade térmica e maior razão entre absorbância e emitância. Resposta da questão 8: [D] A situação é idêntica a de resistores em série onde as correntes são iguais. 10

11 Resposta da questão 9: [E] Dados: V = 400 L m = 400 kg; I = 130 W/m 2 ; ΔT = = 45 C. Consideremos: densidade da água: d = 1 kg/l; calor específico sensível da água: c = J/kg C e que a intensidade de radiação média dada seja diária, ou seja, para um tempo de 24 h. Assim: Δt = = s. A intensidade de radiação é dada pela relação entre a potência radiada e a área de capitação. I =, sendo Q a quantidade de calor absorvida e Δt o tempo de exposição. Mas: Q = m c ΔT. Então: A = 6,73 m 2. Resposta da questão 10: [B] O fluxo térmico através da primeira barra é igual ao da segunda. Resposta da questão 11: [A] Observe uma barra termicamente condutora mantida com suas extremidades inseridas em duas fontes de calor mantidas a temperaturas constantes. O fluxo de calor através da barra é dado pela Lei de Fourier A figura abaixo mostra as duas barras citadas conduzindo calor. 11

12 Resposta da questão 12: [E] Analisando cada uma das proposições: I. Falsa. O calor vindo do Sol chega à Terra pelo processo de radiação, pois é o único que ocorre no vácuo. II. Verdadeira. III. Falsa. De acordo com a equação de Planck, a energia (E) transportada por uma radiação eletromagnética é diretamente proporcional à sua frequência (f): E = h f. A radiação infravermelha (abaixo da vermelha) tem frequência menor que a radiação visível, sendo, portanto, menos energética. Resposta da questão 13: [E] Resposta da questão 14: [A] O fósforo acenderá primeiro no cubo que atingir a temperatura final de ignição mais rapidamente, ou seja, aquele que possuir maior condutividade térmica. Neste caso é o cubo feito de ouro, o cubo A. Quanto ao tamanho da aresta do cubo ela dilatará conforme seu coeficiente de dilatação, que é maior no chumbo. Assim a aresta do cubo A será menor que a do cubo B. Resposta da questão 15: [B] O vidro deixa a luz passar e consequentemente calor por radiação, mas não deixa o calor passar para fora por condução (estufa). Os tanques pintados de preto absorvem grande quantidade desta energia que é levada à água por condução. Resposta da questão 16: [A] O ar que está sobre o solo resfria-se mais do que o ar que está sobre o mar criando um zona de alta pressão em terra e baixa pressão sobre o mar. A opção menos ruim é a da letra A. Resposta da questão 17: [E] I. Errado. Se o recipiente for metálico haverá uma grande perda de calor para o meio ambiente. II. Certo. A cobertura de vidro tem como função reter melhor o calor, de forma semelhante ao que ocorre em uma estufa. III. Certo. A placa utilizada é escura para absorver melhor a energia radiante do Sol, aquecendo a água com maior eficiência. Resposta da questão 18: [E] Em relação à garrafa pintada de branco, a garrafa pintada de preto comportou-se como um corpo melhor absorsor durante o aquecimento e melhor emissor durante o resfriamento, apresentando, portanto, maior taxa de variação de temperatura durante todo o experimento. 12

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