Resoluções das atividades

LIVRO 3 FÍSICA 1 Resoluções das atividades Sumário Aula 9 Calorimetria II Aprofundamento...1 Aula 10 Estados físicos da matéria... Aula 11 Calorimetria e mudanças de fase Revisão...3 Aula 1 Propagação do calor I... Aula 9 Calorimetria II Aprofundamento Dados: m = 7 g; T 0 = C; T = 0 C; c = 0,9 J g 1 C 1 ; Q fusão = 10,7 kj = 10 700 J. Para reciclar o metal, é necessário aquecê-lo até a temperatura de fusão e depois fundi-lo. = Q sensível + Q fusão = m c T + Q fusão = 7 (0,9) (0 ) + 10 700 = 1 430, + 10 700 = 130, J =,1 kj 04 B Observe o gráico a seguir. Líquido T (ºC) 80 0 0 Vapor + líquido Vapor 0 40 70 80 Fim da ebulição Início da ebulição Pelo gráico, conclui-se que o líquido inicia sua vaporização a uma temperatura de 0 ºC. 0 B O texto indica que a pressão atmosférica é 0 cmhg, e a tabela mostra que a altitude é 000 m, na qual a água ferve a 93 C. Logo, para aquecer a água dos 10 C de temperatura ambiente até 93 C quando começa a fervura, são necessárias 1 00 cal. Observe: Q = m c T = 00 g 1 cal g 1 C 1 [93 10] C = 1 00 cal Sabendo que essa quantidade corresponde a apenas 0% da energia fornecida, deduz-se que o fogão forneceu, durante o aquecimento, 33 00 cal ( 1 00 cal). Portanto, se o fornecimento ocorre na razão de 00 cal/s, o tempo total para essa quantidade de energia foi de 1 s. Dos fatores citados nas alternativas, o único que não está relacionado com a formação das ilhas de calor na capital potiguar é a concentração de bairros populares na periferia, pois estes se caracterizam pela horizontalidade ou por pequenas verticalizações, ou seja, neles predominam casas e pequenas ediicações, não os arranha-céus, que barram os ventos. 0 C 03 A Q = m c T = 00 1 (3 1) Q = 00 14 = 3 000 cal = 3 kcal O calor especíico da areia é menor do que o da água. A areia, então, sofre mudanças de temperatura (seja para mais ou para menos) com mais facilidade que a água. Dessa forma, durante o dia, a areia se encontra mais quente que a água; já durante a noite, a areia ica fria, e a água, morna. Calculando a massa de água que lui em 1 s: m = d V = 1 17 10 = 17 10 kg Da deinição de potência e de calor sensível, pode-se escrever: P = = mc t 1, 10 9 W = (17 10 kg) (4, 10 3 J/kg ºC) T 1s T = 0,017 ºC 10 ºC 1

FÍSICA 1 LIVRO 3 04 A Massa de gelo em fusão: Dados: Q = 400 kcal; L f = 80 kcal/kg. Da expressão do calor latente, tem-se: 0 E Q m L m Q 400 = f = = m= 30 kg L 80 f Energia para elevar a temperatura dessa massa até 30 C: Dados: m = 30 kg; c = 1 kcal/kg T C. Da expressão do calor sensível, tem-se: Q = m c T Q = 30 1 30 Q = 900 kcal Calculando a quantidade total de calor que a água deve ceder ao congelador até o inal do referido congelamento: Q = m c T + m L Q = 0 1 (0 0) + 0 ( 80) = 000 cal Logo, o tempo necessário será: P = Q = 000 = 000 s 0 D Dados: I = 400 W/m ; A = m ; = 1 min = 0 s. Calculando a quantidade de calor absorvida e aplicando na equação do calor sensível, tem-se: Q = I A Q = 400 0 = 48 000 J Q 48000 Q = m c T T = = mc 1000 T = 8 ºC 07 C Primeiro, calcula-se a massa de uma camada de 10 cm de neve: 08 E 09 D m = d V = d A h = 70 1 10 10 = 7 kg = 7 000 g Apesar de a neve evaporar, a quantidade de energia envolvida neste processo é a mesma utilizada caso se tivesse derretido a neve, esquentado (até 10 C) e vaporizado a água resultante. Assim: = m L F + m c T + m L V = 7 000 80 + 7 000 1 10 + 7 000 00 = 7 000 (90) = 4 830 000 cal = 4,83 10 cal Sendo M a massa de lenha que sofrerá combustão, tem-se: M L C = M 130 = 4 830 000 M 94 g O calor para o aquecimento da água é gerado pela energia elétrica. Sendo P = U a potência elétrica, em que U é a tensão elétrica e R é a resistência. Além disso, P = Q, em que é R t o intervalo de tempo, e Q é a quantidade de calor gerado. Trabalhando com o tempo de 1 minuto, para o qual se sabe que a massa de água é 3 kg (3 litros de água por minuto), tem-se: U Q V Q Q J R = 00 10 Ω = 0 s = 40000. Finalmente, sendo Q = m c T, em que m é a massa de água, c é o calor especíico da água e T é a variação de temperatura da água (a diferença entre a temperatura de saída e a temperatura de entrada), tem-se: 40 000 J = 3 kg 4 10 3 J kg 1 C 1 (T 0 C) T = 40 C 10 A Dados: C = 1 cal água g 1 ºC = 400 J kg 1 ºC 1 ; m = 1 t = 1000 kg; água T = 100 0 T = 80 C. Quantidade de calor necessária: Q = m água = C água T Q = 1 000 4 00 80 Q = 33 10 J Utilizando o conceito de potência, tem-se: Q 33 10 J 33 10 J P = = = 1h 3 10 s P = 9,33 10 4 W P 93 333 W Considerando que o termo linear se refere à longitudinal, ou seja, ao longo do comprimento do eixo, tem-se: Utilizando uma regra de três simples: Área Potência ( x) ---------------- 93 333 W 1 m ---------------- 800 4800x = 93333 x = 19,44 m Aula 10 01 C m Estados físicos da matéria Ao passar pelos poros do barro, a água se encontra com a superfície externa da moringa e sofre evaporação. Nesse processo, as gotículas de água esfriam por perderem suas moléculas de maior energia cinética, que absorvem calor das paredes da moringa e também da água que resta em seu interior. Consequentemente, o conjunto acaba por atingir uma temperatura menor que a do ambiente. x

LIVRO 3 FÍSICA 1 0 D 03 C 0 E A evaporação da água faz com que o vapor-d'água em suspensão se acumule ao redor da colcha, porém, esse vapor será arrastado pelo vento, não retornando a ele, que após algum tempo secará. Essas moléculas que escapam são as que têm as maiores velocidades; portanto, restam na colcha úmida as moléculas de menores velocidades, o que caracteriza uma menor temperatura. Etapa I: a água sofre solidiicação, passando da fase líquida para a sólida, processo indicado pela seta. Etapa II: o gelo sofre sublimação, isto é, passa da fase sólida para vapor, processo indicado pela seta 3. A vaporização e a condensação ocorrem mediante trocas de energia entre a substância e o meio no qual a substância se encontra. De acordo com o gráico dado, quanto maior a pressão a que está submetido o líquido, maior será a sua temperatura de ebulição. Na panela de pressão, a pressão em seu interior é maior do que a externa; isso faz com que o líquido ferva a uma temperatura maior do que quando exposto à atmosfera. O aumento da temperatura de ebulição ocasiona o cozimento mais rápido dos alimentos. A válvula mantém no interior da panela uma pressão constante. Enquanto a pressão se mantiver constante, a temperatura de ebulição da água não se alterará. Portanto, o tempo de cozimento dos alimentos também não se alterará. Para cozer o alimento acima da temperatura de ebulição da água, será necessário que a pressão sobre a água e o alimento seja maior que 1 atm. Dessa forma, a panela deverá estar bem fechada (panela de pressão). O fornecimento de calor, além de elevar a temperatura, elevará, também, a pressão, permitindo que o alimento seja cozido. O calor latente de vaporização da água é a quantidade de energia necessária para que uma quantidade de massa unitária (1 grama, 1 quilograma, 1 libra etc.) passe do estado líquido para o gasoso, não interessando em que temperatura o fenômeno ocorre. 0 D 0 C 07 D 08 B 09 B 10 B Como irá se formar um lago, a superfície da água terá uma área muito grande, aumentando a captação de energia do Sol. Portanto, haverá maior evaporação e, consequentemente, aumento da umidade relativa do ar. A mudança de estado físico da matéria ocorre sob temperatura constante. O vento exerce a função de retirar a camada de ar quente que envolve a pele e acelerar, dessa forma, as trocas de calor com o ambiente. I. Massa Energia 1kg 3, 10 = x 1, 10 x = 10 kg x = 0 10 kg J J II. 1 trilhão de toneladas = 10 1 10 3 kg = 10 1 kg. Com isso, M = 0 trilhões de toneladas. No fundo do mar, tem-se uma alta pressão, que não favorece a ebulição da água. O fenômeno descrito é conhecido como sobrefusão. Esfriando-se lentamente um líquido e sem agitá-lo, é possível levá-lo a uma temperatura abaixo da de sua solidiicação sem, no entanto, solidiicá-lo. Se o sistema for perturbado, por agitação ou por fornecimento de calor (ao se segurar a garrafa pelo centro, por exemplo), o líquido sofre uma solidiicação total ou parcial e sai da temperatura em que estava (de sobrefusão), migrando para a temperatura em que deveria estar (de solidiicação). Aula 11 Calorimetria e mudanças de fase Revisão Puxar o êmbolo faz com que a pressão interna da seringa sobre a água diminua. É fato conhecido que uma diminuição na pressão provoca uma diminuição na temperatura de ebulição. 3

FÍSICA 1 LIVRO 3 0 A 03 C A hipótese do professor Rugoso está correta. Quando água gelada é derramada, ocorre um resfriamento do frasco, o que acaba por produzir a condensação do vapor-d'água presente em seu interior. Isso, por sua vez, provoca um ligeira queda na pressão do vapor sobre o líquido ainda muito quente, o que acaba por fazê-lo voltar a ferver. As quantidades de calor sensível liberadas por cada uma das bolas são transferidas para os blocos de gelo. Como o ferro tem maior condutividade térmica que a madeira, ele transfere calor mais rapidamente, sofrendo um resfriamento mais rápido. A quantidade de calor sensível de cada esfera é igual, em módulo, à quantidade de calor latente absorvida por cada bloco de gelo. mc T Q = Q mc T = m L m bola gelo gelo gelo gelo = L Como as massas das bolas são iguais, e as variações de temperatura também, a massa de gelo fundida em cada caso é diretamente proporcional ao calor especíico do material que constitui a bola. Assim, analisando a expressão, conclui-se que funde menor quantidade de gelo a bola de material de menor calor especíico, no caso, a de metal. No evaporador, as bobinas resfriadas farão com que o vapor-d'água presente na composição do ar sofra condensação, transformando-se em água líquida, que, posteriormente, será eliminada para o reservatório. 01 A A capacidade do ar em reter vapor-d'água diminui com a diminuição da temperatura. A temperatura do ar junto à superfície da garrafa diminui e o vapor d'água se condensa. Por isso, no condicionador de ar, há uma mangueira para escoar a água resultante da condensação do vapor devido ao resfriamento do ar ambiente. 0 C A massa de ar quente e úmida irá sofrer o processo de condensação. Tomando os dados do enunciado, a potência térmica P será dada por: Q ml 1 10, P = = = 339 gelo P= 100 000 W = 100 kw Apesar de não se ter informações sobre a pressão atmosférica local, a ºC a água estaria congelada. 0 C 0 C 07 B 08 C 09 C I. Calor sensível para o aquecimento inicial da massa de água: Q = m c T = 1 000 g 1cal g 1 ºC 1 (10 ) ºC = 9 000 cal II. Calor latente para vaporização total da massa de água: Q = m L = 1 000 g cal g 1 = 000 cal III. Quantidade total de calor absorvido no processo: Q = kcal + 9 kcal = 1 kcal A pressão interna da panela de pressão torna-se maior que a pressão atmosférica, fazendo com que a temperatura de ebulição seja maior do que em uma panela aberta, em que a pressão interna é igual à pressão atmosférica. Para saber quanto de calor é necessário para que a quantidade de gelo citada sofra fusão, deve ser utilizada a relação Q = m L. Dessa forma, Q = 3,3 10 = 19,8 10 = 1,98 10, ou, aproximadamente, 10 J. Dados: m = 80 kg = 80 000 g; = 40 3, = 3, C; c = 1 cal/g C. Da equação do calor sensível, tem-se: Q = m c Q = 80 000 1 3, = 80 000 cal Q = 80 kcal Aplicando a deinição de intensidade, tem-se, neste caso: I = mc T I 10 útil 40% total = 04, A 4 300 3 00 4 10 ( 0 10) 10 = 04, A 11 m 8300 A 4 300 Dados: V = 100 L m = 100 kg; c = 1 cal/g C = 4, J/g C = 400 J/kg C; T = 0 C. Quantidade de calor necessária no aquecimento: Q = m c = 100 (4 00) (0) = 84 10 J Potência útil: P U = 0,8 ( 000) = 4 000 W = 4 10 3 J/s P 10 C U Q Q 84 10 = = = = 100 s = 3 minutos 3 P 410 U O intervalo DE apresenta a vaporização do líquido, pela qual é possível determinar o calor latente de vaporização. 4

LIVRO 3 FÍSICA 1 Aula 1 01 D 0 C 04 B 01 C 0 D 03 B A madeira tem condutividade térmica menor do que a cerâmica. Estando a uma temperatura menor que a dos pés, o calor lui mais lentamente para a madeira, causando a sensação térmica de estar menos frio. O processador e as placas difusoras estão em contato; portanto, a transmissão do calor se dá por condução. Em relação à garrafa pintada de branco, a garrafa pintada de preto comportou-se como um corpo melhor absorvedor durante o aquecimento e melhor emissor durante o resfriamento, apresentando, portanto, maior taxa de variação de temperatura durante todo o experimento. Dados: 1 cal = 4 J; L f = 80 cal/kg; = 30 J/kg; m = 9 kg = = 9 10 3 g; = 10 h = 3, 10 4 s. Calculando o luxo (φ): Q ml φ= = f φ= 3 910 30 4 3, 10 φ = 80 W A área de luxo (A) é a soma das áreas das faces da caixa: A = (0,4 0, + 0,4 0,4 + 0, 0,4) A = 1,8 m Aplicando a Lei de Fourier, obtém-se a espessura e: φ = = k A T e k A T 410 18, 30 = 0, 019 m e φ 80 e= 19, cm Propagação do calor I A energia emitida pelo Sol dá-se por meio de ondas eletromagnéticas, constituindo um processo de radiação (ou irradiação). Sabe-se que o ar, contido no interior das bolinhas da espuma, é mau condutor (isolante térmico). A tirinha sugere que a personagem da direita quer também proteger suas mãos do contato térmico com o recipiente quente, que, por condução, iria passar calor para a sua mão, podendo queimá-la. As luvas de amianto, por terem baixa condutividade térmica, minimizariam bastante esse luxo de calor do recipiente quente para a mão do homem, como ocorre com a personagem da esquerda. 04 D 0 A 0 C 07 B 08 D 09 A 10 B Como a lata é de alumínio (ótimo condutor térmico), o calor lui mais facilmente da mão para a lata do que da mão para a garrafa de vidro (mau condutor térmico). Quando se diz que um cobertor aquece, na realidade se está cientiicamente falando que ele faz um papel de isolante térmico, impedindo que seja retirado calor do corpo para o ambiente. O vidro do carro é transparente às ondas eletromagnéticas incidentes de alta frequência (luz visível e ultravioleta), porém opaco às radiações eletromagnéticas de baixa frequência (infravermelhas). Estas, sendo absorvidas e reabsorvidas pelo interior do veículo, aumentam a sua temperatura. a) (F) Por serem de cor preta, os tanques são excelentes absorvedores de calor. b) (V) O fenômeno descrito na alternativa B é o efeito estufa. c) (F) A água circula por corrente de convecção. d) (F) Se a camada é reletiva, não pode armazenar energia luminosa. e) (F) O vidro é um mau condutor de calor. O plástico deixa passar luz, mas é um bom isolante térmico, provocando o aquecimento do ambiente dentro do tanque e, consequentemente, a evaporação da água. O vapor, ao tomar contato com o plástico, que está sob menor temperatura, cede calor para o ambiente, sofrendo condensação. A troca de calor entre Ana e o ambiente é causada pela diferença de temperatura entre ambos, proporcional ao valor dessa diferença (a alternativa E está incorreta). Nota-se, pelo gráico, que, à medida que caminha da região central para a residencial urbana, depois para o parque, a diferença de temperatura aumenta, visto que a temperatura ambiente afasta-se cada vez mais dos 3 ºC (que pode ser considerada a temperatura do corpo de Ana). A partir daí, até chegar à residencial suburbana, onde mora, a diferença de temperatura diminui um pouco. Logo, ocorre menos transferência de calor entre Ana e o ambiente na região central (a alternativa A está correta). E o parque é onde ocorre a mais intensa troca de calor (as alternativas B e C estão incorretas). A alternativa D, por sua vez, indica a região rural, mas Ana anda no sentido oposto. Por serem laminados, os protetores solares reletem facilmente a radiação incidente, minimizando, assim, a quantidade de calor que é absorvida pelo interior do carro.