CALORIMETRIA. 1. (Efomm 2017) Um painel coletor de energia solar para aquecimento residencial de água,

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1 Prof.Silveira CALORIMETRIA 1. (Efomm 2017) Um painel coletor de energia solar para aquecimento residencial de água, seja de minuto m. com 0% de eficiência, tem superfície coletora com área útil de A água circula em tubos fixados sob a superfície coletora. Suponha que a intensidade da energia solar incidente 3 2 2,0 10 w m e que a vazão de suprimento de água aquecida seja de,0 litros por Assinale a opção que indica aproximadamente a variação da temperatura da água. Dados: cágua a) 12,2 C b) 22,7 C c) 37,3 C d) 45, C e) 57,1 C 1,0 cal g C e 1cal 4,2 J. Cálculo da potência útil: 3 W 2 P m 0, W 2 m A quantidade de calor trocada é dada por: Q mc Δθ m1 4,2 Δθ Substituindo esse resultado na equação abaixo, vem: Q m P 4,2 Δθ Δt Δt Como: m kg Δt min 0 s Temos que: ,2 Δθ 0 Δθ 57,1 C LETRA E 2. (Fuvest 2017) Um cilindro termicamente isolado tem uma de suas extremidades fechadas por um pistão móvel, também isolado, que mantém a pressão constante no interior do cilindro. O cilindro contém uma certa quantidade de um material sólido à temperatura Ti 134 C. Um aquecedor transfere continuamente W de potência para o sistema, levando-o à temperatura final f T 114 C. O gráfico e a tabela apresentam os diversos processos pelos quais o sistema passa em função do tempo.

2 Processo Intervalo de tempo (s) I II III IV V ΔT ( C) a) Determine a energia total, E, fornecida pelo aquecedor desde Ti 134 C até Tf 114 C. b) Identifique, para esse material, qual dos processos (I, II, III, IV ou V) corresponde à mudança do estado sólido para o estado líquido. c) Sabendo que a quantidade de energia fornecida pelo aquecedor durante a vaporização é 1,2 10 J, determine a massa, M, do material. d) Determine o calor específico a pressão constante, Note e adote: Calor latente de vaporização do material 800 J g. Desconsidere as capacidades térmicas do cilindro e do pistão. c p, desse material no estado líquido. a) Da tabela, nota-se que o intervalo de tempo necessário para que ocorram os cinco processos e Δt 70 s. Aplicando a definição de potência: E P E PΔt E 2,28 10 J. Δt b) A mudança do estado sólido para o estado líquido ocorre no processo II, pois na fusão a temperatura permanece constante. c) O calor latente de fusão do material é Lf 800 J g e a energia fornecida durante a fusão é E 1,2 10 J. Aplicando a equação do calor latente: f f Ef 1,2 10 Ef M Lf M M g M 1,5 kg. L 800 d) De acordo com a tabela, durante aquecimento do material no estado líquido (processo III) a variação de temperatura é ΔT 200 C e o intervalo de tempo do processo é: Δt s. Combinando as expressões de potência e calor sensível, vem:

3 E PΔt P Δt m cp ΔT P Δt cp cp J kg C. E mcp ΔT M ΔT 1, (Unicamp 2017) O controle da temperatura da água e de ambientes tem oferecido à sociedade uma grande gama de confortos muito bem-vindos. Como exemplo podemos citar o controle da temperatura de ambientes fechados e o aquecimento da água usada para o banho. a) O sistema de refrigeração usado em grandes instalações, como centros comerciais, retira o calor do ambiente por meio da evaporação da água. Os instrumentos que executam esse processo são usualmente grandes torres de refrigeração vazadas, por onde circula água, e que têm um grande ventilador no topo. A água é pulverizada na frente do fluxo de ar gerado pelo ventilador. Nesse processo, parte da água é evaporada, sem alterar a sua temperatura, absorvendo calor da parcela da água que permaneceu líquida. Considere que 110 litros de água a 30 C circulem por uma torre de refrigeração e que, desse volume, 2 litros sejam evaporados. Sabendo que o calor latente de vaporização da água é L 540 cal g e que seu calor específico é c 1,0 cal g C, qual é a temperatura final da parcela da água que não evaporou? b) A maioria dos chuveiros no Brasil aquece a água do banho por meio de uma resistência elétrica. Usualmente a resistência é constituída de um fio feito de uma liga de níquel e cromo de resistividade ρ 1,1 10 m. Considere um chuveiro que funciona com tensão de U 220 V 7 2 A 2,5 10 m, e potência P W. Se a área da seção transversal do fio da liga for qual é o comprimento do fio da resistência? a) Dados: 3 3 V1 2 L m1 210 g; V2 108 L m g; c 1cal g C; L 540 cal g. A água que evapora retira calor do restante da água, que resfria. 3 3 Q1 Q2 0 m1l m2 c ΔT T T 30 T T 20 C. 108 b) Nota: resistência elétrica é uma grandeza física. O objeto instalado no chuveiro chama-se resistor. 7 2 Dados: P W; U 220 V; ρ 1,1 10 m; A 2,5 10 m. Da expressão da potência dissipada no resistor: 2 2 U U P R R 8,8 Ω. R P Aplicando a segunda lei de Ohm: 7 ρ L R A 8,8 2,5 10 R L L 2 m. A ρ 1,1 10

4 4. (Upe-ssa ) Um aprendiz de cozinheiro colocou 1,0 litro de água em temperatura ambiente (25 C) numa panela sem tampa e a deixou aquecendo em um fogão elétrico, sobre uma boca de potência de W. Considerando-se que toda a energia fornecida pela boca é absorvida pela água, qual o tempo mínimo aproximado em que toda a água evapora? Dados: calor latente de vaporização da água calor específico da água densidade da água a) 18,2 min b) 21,4 min c) 3,0 min d) 42,7 min e) 53,8 min 4,2 kj kg C kg m 2.25 kj kg A energia calorífica total E é a soma do calor sensível como, da potência elétrica P do fogão multiplicada pelo tempo E P Δt Q Q 1 2 Q 1 e do calor latente Cálculo do calor sensível para aquecimento da água até a ebulição: Sabendo que 1L de água é igual a 1kg de água, então: kj Q1 m c ΔT Q1 1kg 4, C Q1 315 kj kgc Cálculo do calor latente para a vaporização: kj Q2 ml Q2 1kg 225 Q2 225 kj kg Calor total necessário para aquecimento e vaporização: E Q Q E E 2571kJ 1 2 Tempo necessário para todo o processo: E 2571kJ 2571kJ 1min E P Δt Δt Δt Δt 1285,5 s P 2000 W kj 0 s 2 s Δt 21,425 min Δt. Q 2, bem LETRA B

5 5. (Unioeste 2017) Uma pessoa deixou um aquecedor elétrico portátil (ebulidor) dentro de um recipiente com dois litros de água que estavam inicialmente à temperatura de 20 C. O aquecedor é composto por um único resistor que opera em uma tensão de 110 V. A pessoa voltou após um intervalo de tempo de 20 minutos e verificou que 40% da água já havia evaporado do recipiente. Considere que toda a energia fornecida pelo aquecedor é absorvida pela água e que toda a evaporação é somente devido à ação do ebulidor, ou seja, não houve nenhuma evaporação espontânea da água para o meio ambiente. Despreze também a capacidade térmica do recipiente e do aquecedor. Dados: calor específico da água 1,0 cal g C; calor latente de vaporização da água 540 cal g; densidade absoluta da água 1cal 4,2 J; temperatura de ebulição da água 1,0kg L; 100 C. A partir de tais informações, assinale a alternativa CORRETA. a) O calor latente consumido no processo de evaporação é igual a b) A quantidade de calor total absorvida pela água foi inferior a c) A potência fornecida pelo aquecedor é de W. d) A resistência do aquecedor é superior a 5,00. e) A corrente elétrica consumida pelo aquecedor é igual a 10 A. [A] Falsa. Cálculo da massa de água evaporada: m 2000 g 40% 800 g ev Assim, o calor latente para essa massa de água evaporada é: 5 Qlat mev Lv 800 g 540 cal gqlat 4,32 10 cal Ω 1,08 10 cal. 2,0 10 J. [B] Falsa. O calor total corresponde à soma do calor latente e o calor sensível. Nos falta o cálculo do calor sensível: Qs m c ΔT 800 g1cal g C C Qs 4000 cal O calor total será: 5 Qtot Qs Qlat 4000 cal calqtot 4,9 10 cal Transformando para joules: 5 4,18 J Qtot 4,9 10 cal 2, J 1 cal [C] Falsa. A potência é dada por: Q P tot t Assim: 2, J P P 173 W 0 s 20 min 1 min

6 [D] Verdadeira. Com a expressão da potência elétrica em função da resistência elétrica e a tensão, temos: 2 2 U U P R R P Substituindo os valores e calculando: 2 U V R R R,97 Ω P 173 W [E] Falsa. Usando a primeira lei de Ohm e isolando a intensidade da corrente elétrica: U 110 V i i i 15,78 A R,97 Ω LETRA D