FÍSICA. Prof. Fred Lana

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1 FÍSICA Prof. Fred Lana. (Ene 06) Durante a prieira fase do projeto de ua usina de geração de energia elétrica, os engenheiros da equipe de avaliação de ipactos abientais procura saber se esse projeto está de acordo co as noras abientais. A nova planta estará localizada a beira de u rio, cuja teperatura édia da água é de 5 C, e usará a sua água soente para refrigeração. O projeto pretende que a usina opere co, 0 MW de potência elétrica e, e razão de restrições técnicas, o dobro dessa potência será dissipada por seu sistea de arrefeciento, na fora de calor. Para atender a resolução núero 430, de 3 de aio de 0, do Conselho Nacional do Meio Abiente, co ua apla arge de segurança, os engenheiros deterinara que a água só poderá ser devolvida ao rio co u auento de teperatura de, no áxio, 3 C e relação à teperatura da água do rio captada pelo sistea de arrefeciento. Considere o calor específico da água igual a 4 kj (kg C). Para atender essa deterinação, o valor ínio do fluxo de água, e kg s, para a refrigeração da usina deve ser ais próxio de a) 4. b) 84. c) 67. d) 50. e) (Ene 06) Nu experiento, u professor deixa duas bandejas de esa assa, ua de plástico e outra de aluínio, sobre a esa do laboratório. Após alguas horas, ele pede aos alunos que avalie a teperatura das duas bandejas, usando para isso o tato. Seus alunos afira, categoricaente, que a bandeja de aluínio encontra-se nua teperatura ais baixa. Intrigado, ele propõe ua segunda atividade, e que coloca u cubo de gelo sobre cada ua das bandejas, que estão e equilíbrio térico co o abiente, e os questiona e qual delas a taxa de derretiento do gelo será aior. O aluno que responder corretaente ao questionaento do professor dirá que o derretiento ocorrerá a) ais rapidaente na bandeja de aluínio, pois ela te ua aior condutividade térica que a de plástico. b) ais rapidaente na bandeja de plástico, pois ela te inicialente ua teperatura ais alta que a de aluínio. c) ais rapidaente na bandeja de plástico, pois ela te ua aior capacidade térica que a de aluínio. d) ais rapidaente na bandeja de aluínio, pois ela te u calor específico enor que a de plástico. e) co a esa rapidez nas duas bandejas, pois apresentarão a esa variação de teperatura. 3. (Ene 05) O ar atosférico pode ser utilizado para arazenar o excedente de energia gerada no sistea elétrico, diinuindo seu desperdício, por eio do seguinte processo: água e gás carbônico são inicialente reovidos do ar atosférico e a assa de ar restante é resfriada até 98 C. Presente na proporção de 78% dessa assa de ar, o nitrogênio gasoso é liquefeito, ocupando u volue 700 vezes enor. A energia excedente do sistea elétrico é utilizada nesse processo, sendo parcialente recuperada quando o nitrogênio líquido, exposto à teperatura abiente, entra e ebulição e se expande, fazendo girar turbinas que converte energia ecânica e energia elétrica. MACHADO, R. Disponível e Acesso e: 9 set. 03 (adaptado). No processo descrito, o excedente de energia elétrica é arazenado pela a) expansão do nitrogênio durante a ebulição. b) absorção de calor pelo nitrogênio durante a ebulição. c) realização de trabalho sobre o nitrogênio durante a liquefação. d) retirada de água e gás carbônico da atosfera antes do resfriaento. e) liberação de calor do nitrogênio para a vizinhança durante a liquefação. 4. (Ene 05) Ua pessoa abre sua geladeira, verifica o que há dentro e depois fecha a porta dessa geladeira. E seguida, ela tenta abrir a geladeira novaente, as só consegue fazer isso depois de exercer ua força ais intensa do que a habitual. A dificuldade extra para reabrir a geladeira ocorre porque o (a) a) volue de ar dentro da geladeira diinuiu. b) otor da geladeira está funcionando co potência áxia. c) força exercida pelo íã fixado na porta da geladeira auenta. d) pressão no interior da geladeira está abaixo da pressão externa. e) teperatura no interior da geladeira é inferior ao valor existente antes de ela ser aberta. 5. (Ene 05) As altas teperaturas de cobustão e o atrito entre suas peças óveis são alguns dos fatores que provoca o aqueciento dos otores à cobustão interna. Para evitar o superaqueciento e consequentes danos a esses otores, fora desenvolvidos os atuais sisteas de refrigeração, e que u fluido arrefecedor co propriedades especiais circula pelo interior do otor, absorvendo o calor que, ao passar pelo radiador, é transferido para a atosfera.

2 Qual propriedade o fluido arrefecedor deve possuir para cuprir seu objetivo co aior eficiência? a) Alto calor específico. d) Baixa teperatura de ebulição. b) Alto calor latente de fusão. e) Alto coeficiente de dilatação térica. c) Baixa condutividade térica. 6. (Ene 03) Aquecedores solares usados e residências tê o objetivo de elevar a teperatura da água até 70 C. No entanto, a teperatura ideal da água para u banho é de 30 C. Por isso, deve-se isturar a água aquecida co a água à teperatura abiente de u outro reservatório, que se encontra a 5 C. Qual a razão entre a assa de água quente e a assa de água fria na istura para u banho à teperatura ideal? a) 0,. b) 0,5. c) 0,357. d) 0,48. e) 0, (Ene ª aplicação 06) Nu dia e que a teperatura abiente é de 37 C, ua pessoa, co essa esa teperatura corporal, repousa à sobra. Para regular sua teperatura corporal e antê-la constante, a pessoa libera calor através da evaporação do suor. Considere que a potência necessária para anter seu etaboliso é 0 W e que, nessas condições, 0% dessa energia é dissipada pelo suor, cujo calor de vaporização é igual ao da água (540 cal g). Utilize cal igual a 4 J. Após duas horas nessa situação, que quantidade de água essa pessoa deve ingerir para repor a perda pela transpiração? a) 0,08 g b) 0,44 g c), 30 g d), 80 g e) 80,0 g 8. (Ene ª aplicação 06) Até 84 acreditava-se que as áquinas téricas, cujos exeplos são as áquinas a vapor e os atuais otores a cobustão, poderia ter u funcionaento ideal. Sadi Carnot deonstrou a ipossibilidade de ua áquina térica, funcionando e ciclos entre duas fontes téricas (ua quente e outra fria), obter 00% de rendiento. Tal liitação ocorre porque essas áquinas a) realiza trabalho ecânico. b) produze auento da entropia. c) utiliza transforações adiabáticas. 9. (Ene ª aplicação 06) O otor de cobustão interna, utilizado no transporte de pessoas e cargas, é ua áquina térica cujo ciclo consiste e quatro etapas: adissão, copressão, explosão/expansão e escape. Essas etapas estão representadas no diagraa da pressão e função do volue. Nos otores a gasolina, a istura ar/cobustível entra e cobustão por ua centelha elétrica. Para o otor descrito, e qual ponto do ciclo é produzida a centelha elétrica? a) A b) B c) C d) D e) E d) contraria a lei da conservação de energia. e) funciona co teperatura igual à da fonte quente. 0. (Ene ª aplicação 06) Nos dias frios, é cou ouvir expressões coo: Esta roupa é quentinha ou então Feche a janela para o frio não entrar. As expressões do senso cou utilizadas estão e desacordo co o conceito de calor da terodinâica. A roupa não é quentinha, uito enos o frio entra pela janela. A utilização das expressões roupa é quentinha e para o frio não entrar é inadequada, pois o(a) a) roupa absorve a teperatura do corpo da pessoa, e o frio não entra pela janela, o calor é que sai por ela. b) roupa não fornece calor por ser u isolante térico, e o frio não entra pela janela, pois é a teperatura da sala que sai por ela. c) roupa não é ua fonte de teperatura, e o frio não pode entrar pela janela, pois o calor está contido na sala, logo o calor é que sai por ela. d) calor não está contido nu corpo, sendo ua fora de energia e trânsito de u corpo de aior teperatura para outro de enor teperatura. e) calor está contido no corpo da pessoa, e não na roupa, sendo ua fora de teperatura e trânsito de u corpo ais quente para u corpo ais frio.

3 . (Ene ª aplicação 06) Para a instalação de u aparelho de ar-condicionado, é sugerido que ele seja colocado na parte superior da parede do côodo, pois a aioria dos fluidos (líquidos e gases), quando aquecidos, sofre expansão, tendo sua densidade diinuída e sofrendo u deslocaento ascendente. Por sua vez, quando são resfriados, torna-se ais densos e sofre u deslocaento descendente. A sugestão apresentada no texto iniiza o consuo de energia, porque a) diinui a uidade do ar dentro do côodo. b) auenta a taxa de condução térica para fora do côodo. c) torna ais fácil o escoaento da água para fora do côodo. d) facilita a circulação das correntes de ar frio e quente dentro do côodo. e) diinui a taxa de eissão de calor por parte do aparelho para dentro do côodo.. (Ene PPL 04) Para a proteção contra curtos-circuitos e residências são utilizados disjuntores, copostos por duas lâinas de etais diferentes, co suas superfícies soldadas ua à outra, ou seja, ua lâina bietálica. Essa lâina toca o contato elétrico, fechando o circuito e deixando a corrente elétrica passar. Quando da passage de ua corrente superior à estipulada (liite), a lâina se curva para u dos lados, afastando-se do contato elétrico e, assi, interropendo o circuito. Isso ocorre porque os etais da lâina possue ua característica física cuja resposta é diferente para a esa corrente elétrica que passa no circuito. A característica física que deve ser observada para a escolha dos dois etais dessa lâina bietálica é o coeficiente de a) dureza. b) elasticidade. c) dilatação térica. d) copressibilidade. e) condutividade elétrica. 3. (Ene PPL 04) U engenheiro decidiu instalar u aquecedor solar e sua casa, confore ostra o esquea. De acordo co as instruções de ontage, para se ter u aproveitaento áxio da incidência solar, as placas do coletor solar deve ser instaladas co u ângulo de inclinação deterinado. O parâetro que define o valor do ângulo de inclinação dessas placas coletoras é a a) altitude. b) latitude. c) longitude. d) nebulosidade. e) uidade relativa do ar. 4. (Uerj 07) E ua cozinha industrial, foi instalada ua torneira elétrica co potência de W. A teperatura da água na entrada dessa torneira é de 0 C e, na saída, de 60 C. Deterine a potência térica da torneira, e cal s, e sua vazão, e L in. 5. (Efo 07) U painel coletor de energia solar para aqueciento residencial de água, co 60% de eficiência, te superfície coletora co área útil de 0. A água circula e tubos fixados sob a superfície 3 coletora. Suponha que a intensidade da energia solar incidente seja de,0 0 w e que a vazão de supriento de água aquecida seja de 6,0 litros por inuto. Assinale a opção que indica aproxiadaente a variação da teperatura da água. Dados: a), C b),7 C c) 37,3 C d) 45,6 C e) 57, C c água =, 0 cal g C e cal = 4, J. 3

4 6. (Acafe 07) Os cilindros edicinais são destinados a arazenar gases sob alta pressão. Os cilindros são específicos para cada tipo de gás e são identificados segundo noras da ABNT, por cores diferentes e válvulas especificas para cada tipo de gás a ser envazado, coo: Oxigênio Medicinal, Ar Copriido Medicinal, Nitrogênio, Dióxido de Carbono e Óxido Nitroso. U residente recebe u cilindro fechado co u deterinado gás (considerar ideal e onoatôico) superaquecido a teperatura inicial de 37 C e baixa sua teperatura para uso a 7 C. Co diinuição da teperatura coo fica a energia cinética édia das oléculas? a) duplicada. b) reduzida e 4. c) reduzida à etade. d) inalterada. 7. (Espcex (Aan) 07) Durante u experiento, u gás perfeito é copriido, adiabaticaente, sendo realizado sobre ele u trabalho de 800 J. E relação ao gás, ao final do processo, podeos afirar que: a) o volue auentou, a teperatura auentou e a pressão auentou. b) o volue diinuiu, a teperatura diinuiu e a pressão auentou. c) o volue diinuiu, a teperatura auentou e a pressão diinuiu. d) o volue diinuiu, a teperatura auentou e a pressão auentou. e) o volue auentou, a teperatura auentou e a pressão diinuiu. 8. (Upe-ssa 07) U estudo do ciclo terodinâico sobre u gás que está sendo testado para uso e u otor a cobustão no espaço é ostrado no diagraa a seguir. Se Eint representa a variação de energia interna do gás, e Q é o calor associado ao ciclo, analise as alternativas e assinale a CORRETA. a) Eint = 0, Q > 0 b) Eint = 0, Q < 0 c) Eint > 0, Q < 0 d) Eint < 0, Q > 0 e) Eint = 0, Q = 0 9. (Ueg 07) Ua áquina térica que opera, segundo o ciclo de Carnot, executa 0 ciclos por segundo. Sabe-se que, e cada ciclo, ela retira 800 J da fonte quente e cede 400 J para a fonte fria. Se a teperatura da fonte fria é igual a 7 C, o rendiento dessa áquina e a teperatura da fonte quente vale, respectivaente, a) 0%; 37 K. b) 30%; 37 K. c) 40%; 700 K. d) 50%; 600 K. 0. (Upe-ssa 07) As áquinas téricas são capazes de converter calor e trabalho. Elas funciona e ciclos e utiliza duas fontes de teperaturas diferentes: ua quente, de onde recebe calor, e ua fria, para onde o calor rejeitado é direcionado. A respeito das áquinas téricas, é iportante saber que elas não transfora todo o calor e trabalho, ou seja, o rendiento de ua áquina térica é sepre inferior a 00%. Fonte: Acessado e 5 de julho de 06. (Adaptado) U esquea de áquina térica eficiente é ostrado na figura a seguir: No que diz respeito à áquina representada, assinale a alternativa CORRETA. a) Ela é ideal. b) Pode funcionar coo esqueatizada, ua vez que não viola as Leis da Terodinâica. c) Só pode funcionar entre essas teperaturas, se o calor rejeitado for igual a kj. d) Trabalha abaixo da eficiência de Carnot. e) Não pode funcionar da fora esqueatizada. 4

5 GABARITO: Resposta da questão : [C] 6 3 Dados: P = P = MW P = 0 W; c = 4 kj kg C = 4 0 J kg C; Δθ = 3 C. d d O fluxo ássico (kg s) pedido é Φ =. Da definição de potência: 6 Q P 0 P = c Δθ = P = Φ = = cδθ Φ 67 kg s. Resposta da questão : [A] Na bandeja de aluínio o derretiento do gelo é ais rápido do que na bandeja de plástico, pois o etal te aior condutividade térica que o plástico, absorvendo ais rapidaente calor do eio abiente e cedendo para o gelo. Resposta da questão 3: [C] Para haver resfriaento e liquefação do nitrogênio, o sistea de refrigeração deve realizar trabalho sobre o gás. Resposta da questão 4: [D] Quando a geladeira é aberta, ocorre entrada de ar quente e saída de ar frio. Após fechar a porta, esse ar quente, inicialente à teperatura T 0 e à pressão atosférica p 0, é resfriado a volue constante, à teperatura T. Da equação geral dos gases: pv p0 V0 p p0 = =. T T0 T T0 Se T < T 0 p < p 0, a pressão do ar no interior da geladeira é enor que a pressão externa, dificultando a abertura da porta. Resposta da questão 5: [A] Da expressão do calor específico sensível: Q Q= c Δθ Δθ =. c O fluido arrefecedor deve receber calor e não sofrer sobreaqueciento. Para tal, de acordo co a expressão acia, o fluido deve ter alto calor específico. Resposta da questão 6: [B] Considerando o sistea tericaente isolado, teos: Q + Q = 0 c c 30 5 ( ) ( ) água água quente água fria água Quente 5 Quente = = = 0,5. fria 40 8 fria Resposta da questão 7: [E] A potência utilizada na evaporação da água é 0% da potência total necessária para anter o etaboliso. P = 0% P = 0, 0 P = 4 W. U T U O calor latente de vaporização é: cal J J L = L =.60. g cal g Cobinando as expressões da potência e do calor latente: ( ) Q= PU PU L = PU = = = 80 g. Q= L L.60 5

6 Resposta da questão 8: [B] As transforações ocorridas nas áquinas téricas a vapor são irreversíveis, produzindo auento da entropia. Resposta da questão 9: [C] Quando é produzida a centelha, o gás explode, sofrendo violento auento de pressão a volue constante. Isso ocorre no ponto C. Resposta da questão 0: [D] Os corpos não possue calor, as si, energia térica. Calor é ua fora de energia térica que flui espontaneaente do corpo de aior teperatura para o de enor. Resposta da questão : [D] A colocação do aparelho na parte superior do côodo facilita o processo da convecção. O ar quente, ao passar pelo aparelho resfria-se, descendo. O ar da parte de baixo sobe e o processo se repete, hoogeneizando ais rapidaente o ar no interior do côodo. Resposta da questão : [C] A curvatura da lâina se dá devido aos diferentes coeficientes de dilatação dos etais que copõe a lâina. Resposta da questão 3: [B] O aproveitaento da incidência solar é áxio quando os raios solares atinge perpendicularente a superfície da placa. Essa calibração é otiizada de acordo co a inclinação relativa do Sol, que depende da latitude do local. Resposta da questão 4: Resposta da questão 5: [E] Cálculo da potência útil: 4J cal J.000 cal Q P = cδθ.000 = (60 0).000 =.000 = = 5 g s 40 in 60 s L 000 g = 500 g in =, 5 L in 3 W P = 0 0 0,6 = 4000 W A quantidade de calor trocada é dada por: Q = c Δθ = 4, Δθ Substituindo esse resultado na equação abaixo, ve: Q P = 4, Δθ = Coo: 6 kg 6 Δ t = in = 60 s 6

7 Teos que: = 4, Δθ 60 Δθ 57, C Resposta da questão 6: [C] A energia cinética édia das oléculas do gás é diretaente proporcional à teperatura absoluta. Dados: T= 37 C = 600K; T = 7 C = 300K. ec T 300 ec ec kt e c. e c T 600 = = = = = A energia cinética édia das oléculas fica reduzida à etade. Resposta da questão 7: [D] Partindo da ª Lei da Terodinâica, te-se que: ΔU = Q τ () sendo Δ U a variação da energia interna do gás, Q o calor inserido no gás e τ o trabalho realizado pelo gás. Coo o processo é adiabático, ou seja, se troca de calor, Q = 0 J. Coo o trabalho foi realizado sobre o gás, então τ < 0, ou seja, τ = 800 J. Substituindo-se esses valores na equação, te-se que: ΔU = 0 ( 800) = 800 J ΔU = 800 J Para gases perfeitos, é válida a seguinte relação: 3 ΔU = n R ΔT () sendo n o núero de oles do gás, R a constante universal dos gases e Coo Δ U = 800 J > 0, então, pela equação, Δ T > 0. Δ T a variação da teperatura do gás. Coo o trabalho está sendo realizado sobre o gás, ou seja, o eso está sendo copriido, então Δ V < 0, quer dizer, o gás reduz de volue. Da equação de Clapeyron para gases perfeitos: nrt pv = n R T p = (3) V E considerando que T auentou ( Δ T > 0) e V diinuiu ( Δ V < 0), conclui-se da equação 3 que p auentou ( Δ p > 0). Logo, o volue diinuiu, a teperatura auentou e a pressão auentou. Resposta da questão 8: [B] Para u ciclo copleto, a variação da energia interna é nula. E = 0 int 7

8 Mas, pela Prieira Lei da Terodinâica: Eint = Q W Então: 0 = Q W W = Q Coo o ciclo acontece no sentido anti-horário, tanto trabalho quanto calor é negativo. W = Q W < 0 e Q < 0. Resposta da questão 9: [D] O rendiento dessa áquina é dado por: η Q 400 J = 0,5 ou 50% Q η = 800 J η = A teperatura da fonte quente pode ser obtida co equação seelhante, utilizando na escala Kelvin: η = T 300 K 0,5 T 600 K T = T = Resposta da questão 0: [E] Análise das alternativas: [A] Falsa. Seria ideal se o rendiento fosse igual a 00%, o que não é possível, pois a fonte fria deveria sofrer u resfriaento a 0 Kelvin, ipossível para u sistea físico. [B] Falsa. Para deterinar se a áquina pode funcionar coo o esquea, deveos testar o rendiento quando usaos as teperaturas e quando usaos o calor trocado, co as equações: T Q η = = T Q T Usando as teperaturas absolutas: 300 η= = η= 0,7 = 70% T 000 Q Usando os calores trocados: 8 kj η= = η= 0,8 = 80% Q 40 kj Logo, não é possível que a áquina térica funcione co esse esquea devido a inconsistência dos valores e do rendiento uito alto quando coparado co outras, coo por exeplo: otores de autoóveis e édia %, otores a diesel e torno de 5% e turbinas a gás e édia de 33%. [C] Falsa. Neste caso, o rendiento usando os calores, seria: Q kj η= = η= 0,7 = 70% Q 40 kj Contudo ainda teos u rendiento considerado absurdo para áquinas téricas reais, e que o áxio possível está por volta dos 40%. [D] Falsa. Pelos cálculos dos rendientos, nota-se que estão be acia da eficiência do ciclo de Carnot. [E] Verdadeira. Confore constatado no ite [B]. 8