Física 2 - Lista de Exercícios Objetivos sobre Termodinâmica

Física 2 1ª Parte Questões Objetivas 1 Observe na figura um ferreiro que aquece uma ferradura e a esfria em seguida em um balde cheio de água à temperatura ambiente GREF Física 2 São Paulo Edusp 1996 Quando o equilíbrio térmico é atingido a água se aquece de poucos graus Celsius enquanto a ferradura se resfria de algumas centenas de graus na mesma escala de temperatura A grandeza física que determina essa diferença de comportamento entre a água e a ferradura é A o peso B o volume C o calor específico D a capacidade térmica 2 Para obter vapor dágua um professor de ciências faz uma experiência simples com um copo de papel cheio de água sobre uma fina chapa metálica aquecida por uma vela Nessa experiência na qual a vaporização da água é lenta o copo não queima tão rápido como se estivesse vazio A explicação física desse fenômeno está descrita na seguinte alternativa A o calor é logo absorvido pela água B o copo de papel é um isolante térmico C a água se mantém mais fria do que o copo D a água se mantém mais fria do que o ar ambiente 3 Duas substâncias A e B têm seus gráficos de densidade temperatura representados a seguir As substâncias são colocadas a 4C em garrafas de vidro distintas ocupando todo o volume das garrafas Considere o coeficiente de dilatação do vidro das garrafas muito menor que o das substâncias A e B As garrafas são então fechadas e colocadas em um refrigerador a 0C Após um longo período de tempo podese dizer que a a garrafa de A se quebra e a de B não b a garrafa de B se quebra e a de A não c as garrafas de A e B se quebram d as garrafas de A e B não se quebram e os dados fornecidos não são suficientes para se chegar a uma conclusão 4 Uma lâmina bimetálica é constituída de duas placas de materiais diferentes M1 e M2 presas uma à outra Essa lâmina pode ser utilizada como interruptor térmico para ligar ou desligar um circuito elétrico como representado esquematicamente na figura I Quando a temperatura das placas aumenta elas dilatamse e a lâmina curvase fechando o circuito elétrico como mostrado na figura II Esta tabela mostra o coeficiente de dilatação linear de diferentes materiais Considere que o material M1 é cobre e o outro M2 deve ser escolhido entre os listados nessa tabela Para que o circuito seja ligado com o MENOR aumento de temperatura o material da lâmina M deve ser o a aço b alumínio c bronze d níquel 5 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 abaixo Fonte Adaptado de PALZ Wolfgang Energia solar e fontes alternativas Hemus 1981 São feitas as seguintes afirmacões 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 III a placa utilizada é escura para absorver melhor a energia radiante do Sol aquecendo a água com maior eficiência Dentre as afirmações acima podese dizer que apenas estáão corretas a I b I e II c II d I e III e II e III 6 Normalmente encontrase como invólucro de cigarros no interior do maço uma folha que apresenta duas faces uma de papel comum e outra de alumínio coladas entre si Se pegarmos essa folha dupla e a aproximarmos cuidadosamente de uma fonte de calor o que observaremos em relação a dilatação dessa folha a A folha curvase para o lado do papel b A folha não sofre nenhum tipo de curvatura c A folha curvase para o lado do alumínio d A folha curvase ora para o lado do papel ora para o lado do alumínio e A folha dilata sem sofrer curvatura 7 om a frequente adulteração de combustíveis além de fiscalização há necessidade de prover meios para que o consumidor verifique a qualidade do combustível Para isso nas bombas de combustível existe um densímetro semelhante ao ilustrado na figura Um tubo de vidro fechado fica imerso no combustível devido ao peso das bolinhas de chumbo colocadas no seu interior Uma coluna vertical central marca a altura de referência que deve ficar abaixo ou no nível do combustível para indicar que sua densidade está adequada Como o volume do líquido varia com a temperatura mais que o do vidro a coluna vertical é preenchida com mercúrio para compensar variações de temperatura a indica a variação da densidade do combustível com a temperatura b mostra a diferença de altura da coluna a ser corrigida c mede a temperatura ambiente no momento do abastecimento d regula a temperatura do densímetro de acordo com a do ambiente e corrige a altura de referência de acordo com a densidade do líquido 8 Uma lâmina bimetálica de bronze e ferro na temperatura ambiente é fixada por uma de suas extremidades como visto na figura abaixo Note e adote O coeficiente de dilatação térmica linear do ferro é 12105 C1 O coeficiente de dilatação térmica linear do bronze é 18106 C1 Após o aquecimento a temperatura da lâmina é uniforme Nessa situação a lâmina está plana e horizontal A seguir ela é aquecida por uma chama de gás Após algum tempo de aquecimento a forma assumida pela lâmina será mais adequadamente representada pela figura a b c d e 9 Misturandose convenientemente água e álcool é possível fazer com que uma gota de óleo fique imersa em repouso no interior dessa mistura como exemplifica o desenho a seguir Os coeficientes de dilatação térmica da mistura e do óleo valem respectivamente 20104C e 50104C água álcool óleo Esfriandose o conjunto e supondose que o álcool não evapore o volume da gota a diminuirá e ela tenderá a descer b diminuirá e ela tenderá a subir c diminuirá e ela permanecerá em repouso d aumentará e ela tenderá a subir e aumentará e ela tenderá a descer 10 As figuras a seguir esquematizam a formação das brisas marítima e terrestre Ar frio DIA Ar quente Ar frio NOITE Ar quente Durante o dia o ar próximo à areia da praia se aquece mais rapidamente do que o ar próximo à superfície do mar Desta forma o aquecido do continente sobe e o ar mais frio do mar deslocase para o continente formando a brisa marítima À noite o ar sobre o oceano permanece aquecido mais tempo do que o ar sobre o continente e o processo se inverte Ocorre então a brisa terrestre Dentre as alternativas a seguir indique a que explica corretamente o fenômeno apresentado A É um exemplo de convecção térmica e ocorre pelo fato de a água ter um calor específico maior do que a areia Desta forma a temperatura da areia se altera mais rapidamente B É um exemplo de condução térmica e ocorre pelo fato de a areia e a água serem bons condutores térmicos Desta forma o calor se dissipa rapidamente C É um exemplo de irradiação térmica e ocorre pelo fato de a areia e a água serem bons condutores térmicos Desta forma o calor se dissipa rapidamente D É um exemplo de convecção térmica e ocorre pelo fato de a água ter um calor específico menor do que a areia Desta forma a temperatura da areia se altera mais rapidamente E É um processo de estabelecimento do equilíbrio térmico e ocorre pelo fato de a água ter uma capacidade térmica desprezível 2a Parte Questões Discursivas 1 Um estudante constrói uma escala de temperatura arbitrária X Como mostrado no gráfico seguinte que relaciona sua escala X com a escala Celsius Em seguida ele efetua um experimento em que duas barras A e B de massas mA 100g e mB 120 inicialmente à temperatura de 0C foram colocadas pelo estudante durante 20 minutos em dois fornos como indicado pelo gráfico a seguir em que a relação entre as potências térmicas fornecidas a cada barra e o tempo de aquecimento são indicados Após esse período as barras são retiradas dos fornos e imediatamente introduzidas em um calorímetro ideal O diagrama abaixo indica a variação da capacidade térmica de cada barra em função de sua massa Considerando que toda a energia liberada pelas fontes térmicas seja absorvida pelas barras determine a temperatura de equilíbrio das barras na escala arbitrária utilizada pelo estudante 2 O excesso de gordura no organismo é nocivo a saúde Considere uma pessoa com massa corporal estável que deseja perder gordura sem alterar sua dieta alimentar Para essa pessoa o dispêndio energético de 9 kcal em atividades físicas corresponde a perda de 1g de gordura corporal Para que essa pessoa perca 60 kg de gordura determine o tempo em minutos que ela necessita dedicar a atividades físicas despendendo em média 12kcalmin 3 Suponha que uma pessoa precise de 2400kcaldia para suprir suas necessidades de energia Num determinado dia essa pessoa além de executar suas atividades regulares caminhou durante uma hora A energia gasta nessa caminhada é a mesma necessária para produzir um aumento de temperatura de 80 C em 3 kg de água Determine a necessidade de energia dessa pessoa no mesmo dia em kcal considerando o calor específico da água igual a 1 calgC 2a X C 100 30 50 600 A tmin 240 B potência térmica calmin tmin 160 96 200 240 mg capacidade térmica calC A B 4 Quatro esferas maciças E1 E2 E3 e E4 todas com a mesma massa são colocadas simultaneamente no interior de um recipiente contendo água em ebulição Metal Esfera tipo calor específico calgc massa específica gcm3 E1 alumínio 0215 27 E2 ferro 0113 78 E3 niquel 0056 105 E4 cobre 0093 89 Atingido o equilibrio térmico essas esferas são retiradas da água e colocadas imediatamente na superficie de um grande bloco de gelo que se encontra na temperatura de fusão a Determine a esfera que fundiu a maior quantidade de gelo e b a esfera que produziu a cavidade de menor diâmetro no bloco de gelo Justifique sua resposta por intermédio de cálculos 5 Um retângulo é formado por um fio de cobre e outro de alumínio como mostra a figura A Sabendose que o coeficiente de dilatação linear do cobre é de 17 x 10 6 C1 e o do alumínio é de 24 x 106 C1 qual o valor do ângulo se a temperatura do retângulo for elevada de 100C como está apresentado na figura B cobre alumínio cobre alumínio 10 cm 8 cm 5 cm Figura A Figura B α Questões objetivas 1 D 2 A 3 A 4 B 5 E 6 A 7 E 8 D 9 A 10 A Questões discursivas 1 As quantidades de calor fornecidas a cada barra são dadas pelas respectivas áreas do gráfico de potência x Tempo Temos QA 600 20 6000 cal 2 QB 240 20 2400 cal 2 Vamos calcular as temperaturas finais TA QA 6000 75 CA 80 TB QB 2400 50 C CB 48 O equilibrio sera atingido quando mACa T TA mBCB T TB 0 96 T 75 48 T 50 0 T 66C Mas na escala do estudante temos a seguinte relação entre X e C X 0 C 30 100 0 50 30 X 5 C 30 Logo se C 66 então a temperatura sera X 5 36 180 T 180º X 2 Se 1 g equivale à 9 kcal logo 6 kg equivale à 9 6000 54000 kcal Logo se 1 minuto equivale à 12 kcal então T 54000 12 4500 minutos 3 A energia associada à caminhada é Q mcΔT 3000 1 80 Q 240000 cal 240 kcal Logo a energia total é E 2400 240 2640 kcal 4 a Q mcΔT A massa é igual para todos esferas ΔT também é igual Vamos definir m ΔT A constante Logo Q A c Para E1 Q 0215 A E2 Q 0113 A E3 Q 0056 A E4 Q 0093 A Logo E1 transfere mais energia e funde mais gelo b Como o volume m ρ onde ρ é a massa específica logo a esfera de maior ρ produz a menor cavidade E3 é a esfera de maior ρ 5 Variação do comprimento de cobre ΔLc 10 17 10⁶ 100 17 10³ cm Variação do alumínio ΔLA 10 24 10⁶ 100 24 10³ cm ΔLA ΔLc 7 10³ cm O lado maior vai estar 35 10³ cm maior Logo a Hipotenusa do triângulo será 8017 5024 13041 cm Portanto cos α 35 103 13041 α 8998