MAPA Física Geral e Experimental II - Unicesumar

25062023 2037 Unicesumar Ensino a Distância aboutblank 14 MAPA FÍSICA GERAL E EXPERIMENTAL II 522023 Período08052023 0800 a 07072023 2359 Horário de Brasília StatusABERTO Nota máxima300 GabaritoGabarito não está liberado Nota obtida 1ª QUESTÃO 25062023 2037 Unicesumar Ensino a Distância aboutblank 24 MAPA FÍSICA GERAL E EXPERIMENTAL II Olá Estudante Iniciamos agora a atividade MAPA Preparase para colocar em prática os conceitos estudados durante a disciplina Caso surjam dúvidas não hesite em contatar os professores da disciplina Desejamos sucesso na sua atividade INSTRUÇÕES DE ENTREGA Este é um trabalho INDIVIDUAL As respostas devem ser entregues utilizando o Modelo de Resposta MAPA disponibilizado Sobre o seu preenchimento é necessário o cumprimento das seguintes diretrizes Não serão aceitas respostas que constam apenas o resultado numérico sem que seja demonstrado o raciocínio que o levou a encontrar aquela resposta Toda e qualquer fonte e referência que você utilizar para responder os questionários deve ser citada ao final da questão Após inteiramente respondido o Modelo de Resposta MAPA deve ser enviado para correção pelo seu Studeo em formato de arquivo PDF e apenas este formato será aceito O Modelo de Resposta MAPA pode ter quantas páginas você precisar para respondêlo desde que siga a sua estrutura O Modelo de Resposta MAPA deve ser enviado única e exclusivamente pelo seu Studeo no campo MAPA desta disciplina Toda e qualquer outra forma de entrega deste Modelo de Resposta MAPA não é considerada A qualidade do trabalho será considerada na hora da avaliação então preencha tudo com cuidado explique o que está fazendo responda as perguntas e mostre sempre o passo a passo das resoluções e deduções Quanto mais completo seu trabalho melhor Problemas frequentes a evitar Coloque um nome simples no seu arquivo para não se confundir no momento de envio Se você usa OPEN OFFICE ou MAC transforme o arquivo em PDF para evitar incompatibilidades Verifique se você está enviando o arquivo correto É o MAPA da disciplina certa Ele está preenchido adequadamente É recomendado que mande com antecedência para evitar erros Como enviar o arquivo Acesse no Studeo o ambiente da disciplina e clique no botão MAPA No final da página há uma caixa tracejada de envio de arquivo Basta clicar nela e então selecionar o arquivo de resposta da sua atividade Antes de clicar em FINALIZAR certifiquese de que está tudo certo pois uma vez finalizado você não poderá mais modificar o arquivo Sugerimos que você clique no link gerado da sua atividade e faça o download para conferir se está de acordo com o arquivo entregue Sobre plágio e outras regras Trabalhos copiados da internet ou de outros alunos serão zerados Trabalhos copiados dos anos anteriores também serão zerados mesmo que você tenha sido o autor A equipe de mediação está à sua disposição para o atendimento das dúvidas por meio do Fale com o Mediador em seu Studeo Aproveite esse recurso CONTEXTUALIZAÇÃO A física desempenha um papel fundamental em diversas áreas industriais desde a fabricação de produtos 25062023 2037 Unicesumar Ensino a Distância aboutblank 34 até o desenvolvimento de tecnologias avançadas Por meio dos fundamentos da física propriedades mecânicas eletrônicas e magnéticas dos materiais é possível produzir componentes com alta precisão construir máquinas e equipamentos projetar sistemas seguros confiáveis e eficientes bem como contribuir para o desenvolvimento de tecnologias que têm potencial de garantir avanços significativos em diversas áreas produtivas Nesta atividade MAPA você encontrará situações cotidianas em uma empresa e algumas maneiras de como os conceitos e fundamentos estudados em física são utilizados na resolução de problemas ou melhoria dos processos Assim é importante que você leia com atenção a atividade pesquise soluções resolva os exercícios com calma e contate os professores em caso de dúvidas Desejo a vocês um ótimo trabalho Professora Ariane Cezarotto Fiewski PROBLEMÁTICA Você foi contratadoa como trainee na empresa X e para avaliar o seu potencial como colaborador para a possibilidade de efetivação na empresa a gerência solicitou que você fizesse uma avaliação de alguns processos e setores buscando melhorias que possam beneficiar a empresa Para tanto é necessário que você cumpra as quatro etapas que estão descritas a seguir ETAPA 1 A sala dos engenheiros é iluminada por um circuito com três lâmpadas incandescentes em paralelo cada lâmpada possui uma resistência de 10 Ω e uma potência de 60 W Por razões de economia a gerência solicitou a substituição das lâmpadas por lâmpadas led com 20 Ω e 10 W 1a Considerando que a tensão da rede seja de 110 V determine quantas lâmpadas led serão necessárias para substituir as lâmpadas incandescentes 1b Sabendo que cada lâmpada nova custou R 2000 quantos dias serão necessários para que as novas lâmpadas se paguem com a economia de energia Suponha que o preço por kWh seja de R 050 e que a lâmpada fique acesa 8 horas por dia ETAPA 2 A empresa X está buscando padronizar seus procedimentos Diante disso você notou que na sala em que está trabalhando possui um gerador cujas características da força eletromotriz ε e resistência interna não foram especificadas Para resolver esse problema você foi até o laboratório e por meio de várias medidas de potencial entre os terminais desse gerador e da corrente elétrica que passa neste circuito obteve a seguinte curva característica 25062023 2037 Unicesumar Ensino a Distância aboutblank 44 Fonte a professora Analisando Analisando o gráfico obtido no experimento determine 2a A força eletromotriz do gerador 2b A resistência interna do gerador 2c A equação característica desse gerador 2d A corrente de curtocircuito ETAPA 3 Uma das salas de produção de componentes da empresa X tem as seguintes dimensões 10 m x 10 m x 3 m Essa sala produz alguns componentes sensíveis à temperatura e para isso deve ser mantida em 15 C Atualmente o controle diário da temperatura da sala está indicando média de 28 C Diante disso a gerência solicitou que você que fosse instalado um segundo sistema para lidar com o excesso de calor Para tanto determine a potência necessária desse novo sistema para manter a sala em 15 C sabendo que o sistema funciona continuamente Considere a densidade do ar 1225 kgm³ e calor específico do ar 1000 JkgK ETAPA 4 A empresa possui uma máquina térmica que utiliza gás natural como combustível e gera 500 kW de energia elétrica Buscando otimizar a utilização dos recursos energéticos a gerência da empresa resolveu aproveitar o calor gerado pela máquina térmica para atender a necessidade de aquecer a água de 20C para 60 C por meio de um trocador de calor para utilizála nos processos produtivos Considerando que a máquina térmica apresente uma eficiência de 40 qual é a vazão de água que pode ser aquecida Dados calor específico da água 4200 JkgC ALTERNATIVAS Nenhum arquivo enviado ETAPA 1 A sala dos engenheiros é iluminada por um circuito com três lâmpadas incandescentes em paralelo cada lâmpada possui uma resistência de 10 Ω e uma potência de 60 W Por razões de economia a gerência solicitou a substituição das lâmpadas por lâmpadas led com 20 Ω e 10 W 1a Considerando que a tensão da rede seja de 110 V determine quantas lâmpadas led serão necessárias para substituir as lâmpadas incandescentes Para determinar quantas lâmpadas LED serão necessárias para substituir as lâmpadas incandescentes podemos usar a fórmula da resistência equivalente em um circuito em paralelo No circuito original cada lâmpada incandescente possui uma resistência de 10 Ω Portanto a resistência equivalente do circuito é dada por 1 Req 1 R1 1 R2 1 R3 Onde R1 R2 e R3 são as resistências das lâmpadas incandescentes Substituindo os valores temos 1 Req 1 10 1 10 1 10 1 Req 3 10 Req10 3 Ω Agora podemos determinar quantas lâmpadas LED serão necessárias para ter uma resistência equivalente de 20 Ω Vamos chamar de N o número de lâmpadas LED 1 ℜqLED N 20 20N 10 3 N20 3 10 N6 Portanto serão necessárias 6 lâmpadas LED para substituir as lâmpadas incandescentes 1b Sabendo que cada lâmpada nova custou R 2000 quantos dias serão necessários para que as novas lâmpadas se paguem com a economia de energia Suponha que o preço por kWh seja de R 050 e que a lâmpada fique acesa 8 horas por dia Para determinar quantos dias serão necessários para que as novas lâmpadas se paguem com a economia de energia precisamos calcular a economia diária de energia e dividir o custo das lâmpadas pelo valor economizado por dia A potência das lâmpadas incandescentes é de 60 W cada enquanto a potência das lâmpadas LED é de 10 W cada Portanto a economia de energia por lâmpada é de EconomiaPotênciaincandescentePotência LED Economia6010 Economia50W Agora podemos calcular a economia diária de energia EconomiadiáriaEconomiaTempode usodiário Economiadiária508 Economiadiária400Wh04 kWh O preço por kWh é de R 050 então o valor economizado por dia é Valor economizado por diaEconomiadiáriaPreço por kWh Valor economizado por dia04050 Valor economizado por diaR 020 O custo total das lâmpadas LED é de R 2000 Agora podemos calcular quantos dias serão necessários para que as lâmpadas se paguem Dias para se pagarCusto daslâmpadasValor economizado por dia Dias para se pagar 20 020 Dias para se pagar100 Portanto serão necessários 100 dias para que as novas lâmpadas se paguem com a economia de energia ETAPA 2 A empresa X está buscando padronizar seus procedimentos Diante disso você notou que na sala em que está trabalhando possui um gerador cujas características da força eletromotriz ε e resistência interna não foram especificadas Para resolver esse problema você foi até o laboratório e por meio de várias medidas de potencial entre os terminais desse gerador e da corrente elétrica que passa neste circuito obteve a seguinte curva característica Analisando o gráfico obtido no experimento determine 2a A força eletromotriz do gerador A partir de uEri Para i0 uEr 0 E12V 2b A resistência interna do gerador Para u 0 0122r 2r12 r12 2 6Ω 2c A equação característica desse gerador u126i 2d A corrente de curtocircuito Quando ocorre um curtocircuito u0 126i0 icurto12 6 2 A ETAPA 3 Uma das salas de produção de componentes da empresa X tem as seguintes dimensões 10 m x 10 m x 3 mEssa sala produz alguns componentes sensíveis à temperatura e para isso deve ser mantida em 15 CAtualmente o controle diário da temperatura da sala está indicando média de 28 C Diante disso agerência solicitou que você que fosse instalado um segundo sistema para lidar com o excesso de calorPara tanto determine a potência necessária desse novo sistema para manter a sala em 15 C sabendo que osistema funciona continuamente Considere a densidade do ar 1225 kgm³ e calor específico do ar 1000JkgK Para determinar a potência necessária do novo sistema para manter a sala em 15 C podemos usar a fórmula PotênciaMassade arCalor específicoVariaçãodetemperatura Tempo Primeiro vamos calcular a massa de ar na sala A massa de ar é igual à densidade do ar multiplicada pelo volume da sala MassadearDensidade doarVolume dasala Substituindo os valores Massadear1225kgm³10m10m3m Agora vamos calcular a variação de temperatura VariaçãodetemperaturaTemperaturafinalTemperaturainicial Variaçãodetemperatura15C28 C Substituindo os valores Variaçãodetemperatura13C13 K Assumindo que o sistema funciona diariamente o tempo pode ser convertido de 24 horas para 86400 segundos Agora podemos calcular a potência necessária PotênciaMassade arCalor específicoVariaçãodetemperatura Tempo Potência1225300100013 86400 Potência5529W ETAPA 4 A empresa possui uma máquina térmica que utiliza gás natural como combustível e gera 500 kW de energia elétrica Buscando otimizar a utilização dos recursos energéticos a gerência da empresa resolveu aproveitar o calor gerado pela máquina térmica para atender a necessidade de aquecer a água de 20C para 60 C por meio de um trocador de calor para utilizála nos processos produtivos Considerando que a máquina térmica apresente uma eficiência de 40 qual é a vazão de água que pode ser aquecida Dados calor específico da água 4200 JkgC A vazão de água que pode ser aquecida pela máquina térmica de eficiência de 40 é de aproximadamente 119 kgs Calor sensível O calor sensível determina a quantidade de calor necessária para provocar uma variação de temperatura em uma substância e a sua intensidade pode ser calculada de acordo com a seguinte fórmula QmcΔT Sendo Q é a quantidade de calor m é a massa da substância c é o calor específico ΔT é a variação de temperatura A máquina térmica gera 500 kW de energia elétrica mas sua eficiência é de 40 Portanto a potência útil gerada pela máquina térmica que é utilizada para aquecer a água pode ser calculada da seguinte maneira 500kW040200kW E esta potência significa que é fornecida uma energia de 200000 J em um segundo então substituindo os valores na equação do calor sensível acima para o intervalo de 1 segundo temse que 200000Jm4200 Jkg C60 C20C m 200000 420040 m 119kg Isso significa que a vazão de água que pode ser aquecida é de aproximadamente 119 kgs ETAPA 1 A sala dos engenheiros é iluminada por um circuito com três lâmpadas incandescentes em paralelo cada lâmpada possui uma resistência de 10 Ω e uma potência de 60 W Por razões de economia a gerência solicitou a substituição das lâmpadas por lâmpadas led com 20 Ω e 10 W 1a Considerando que a tensão da rede seja de 110 V determine quantas lâmpadas led serão necessárias para substituir as lâmpadas incandescentes Para determinar quantas lâmpadas LED serão necessárias para substituir as lâmpadas incandescentes podemos usar a fórmula da resistência equivalente em um circuito em paralelo No circuito original cada lâmpada incandescente possui uma resistência de 10 Ω Portanto a resistência equivalente do circuito é dada por 1Req 1R1 1R2 1R3 Onde R1 R2 e R3 são as resistências das lâmpadas incandescentes Substituindo os valores temos 1Req 110 110 110 1Req 310 Req 103 Ω Agora podemos determinar quantas lâmpadas LED serão necessárias para ter uma resistência equivalente de 20 Ω Vamos chamar de N o número de lâmpadas LED 1ReqLED N20 20 N 103 N 20 310 N 6 Portanto serão necessárias 6 lâmpadas LED para substituir as lâmpadas incandescentes 1b Sabendo que cada lâmpada nova custou R 2000 quantos dias serão necessários para que as novas lâmpadas se paguem com a economia de energia Suponha que o preço por kWh seja de R 050 e que a lâmpada fique acesa 8 horas por dia Para determinar quantos dias serão necessários para que as novas lâmpadas se paguem com a economia de energia precisamos calcular a economia diária de energia e dividir o custo das lâmpadas pelo valor economizado por dia A potência das lâmpadas incandescentes é de 60 W cada enquanto a potência das lâmpadas LED é de 10 W cada Portanto a economia de energia por lâmpada é de 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑐𝑎𝑛𝑑𝑒𝑠𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐿𝐸𝐷 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 60 10 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 50 𝑊 Agora podemos calcular a economia diária de energia 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑎 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑜 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑎 50 8 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑎 400 𝑊ℎ 04 𝑘𝑊ℎ O preço por kWh é de R 050 então o valor economizado por dia é 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑎 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑎 𝑃𝑟𝑒ç𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑘𝑊ℎ 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑎 04 050 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑎 𝑅 020 O custo total das lâmpadas LED é de R 2000 Agora podemos calcular quantos dias serão necessários para que as lâmpadas se paguem 𝐷𝑖𝑎𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑠𝑒 𝑝𝑎𝑔𝑎𝑟 𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑎𝑠 𝑙â𝑚𝑝𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑎 𝐷𝑖𝑎𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑠𝑒 𝑝𝑎𝑔𝑎𝑟 20 020 𝐷𝑖𝑎𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑠𝑒 𝑝𝑎𝑔𝑎𝑟 100 Portanto serão necessários 100 dias para que as novas lâmpadas se paguem com a economia de energia ETAPA 2 A empresa X está buscando padronizar seus procedimentos Diante disso você notou que na sala em que está trabalhando possui um gerador cujas características da força eletromotriz ε e resistência interna não foram especificadas Para resolver esse problema você foi até o laboratório e por meio de várias medidas de potencial entre os terminais desse gerador e da corrente elétrica que passa neste circuito obteve a seguinte curva característica Analisando o gráfico obtido no experimento determine 2a A força eletromotriz do gerador A partir de u E ri Para i0 u E r 0 E 12 V 2b A resistência interna do gerador Para u 0 0 12 2r 2r 12 r 122 6Ω 2c A equação característica desse gerador u 12 6i 2d A corrente de curtocircuito Quando ocorre um curtocircuito u0 12 6i 0 icurto 126 2A ETAPA 3 Uma das salas de produção de componentes da empresa X tem as seguintes dimensões 10 m x 10 m x 3 mEssa sala produz alguns componentes sensíveis à temperatura e para isso deve ser mantida em 15 CAtualmente o controle diário da temperatura da sala está indicando média de 28 C Diante disso agerência solicitou que você que fosse instalado um segundo sistema para lidar com o excesso de calorPara tanto determine a potência necessária desse novo sistema para manter a sala em 15 C sabendo que osistema funciona continuamente Considere a densidade do ar 1225 kgm³ e calor específico do ar 1000JkgK Para determinar a potência necessária do novo sistema para manter a sala em 15 C podemos usar a fórmula 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑟 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜 Primeiro vamos calcular a massa de ar na sala A massa de ar é igual à densidade do ar multiplicada pelo volume da sala 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑟 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜 𝑎𝑟 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑎 Substituindo os valores 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑟 1225 𝑘𝑔𝑚³ 10 𝑚 10 𝑚 3 𝑚 Agora vamos calcular a variação de temperatura 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 15 𝐶 28 𝐶 Substituindo os valores 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 13 𝐶 13 𝐾 Assumindo que o sistema funciona diariamente o tempo pode ser convertido de 24 horas para 86400 segundos Agora podemos calcular a potência necessária 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑟 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 1225 300 1000 13 86400 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 5529 𝑊 ETAPA 4 A empresa possui uma máquina térmica que utiliza gás natural como combustível e gera 500 kW de energia elétrica Buscando otimizar a utilização dos recursos energéticos a gerência da empresa resolveu aproveitar o calor gerado pela máquina térmica para atender a necessidade de aquecer a água de 20C para 60 C por meio de um trocador de calor para utilizála nos processos produtivos Considerando que a máquina térmica apresente uma eficiência de 40 qual é a vazão de água que pode ser aquecida Dados calor específico da água 4200 JkgC A vazão de água que pode ser aquecida pela máquina térmica de eficiência de 40 é de aproximadamente 119 kgs Calor sensível O calor sensível determina a quantidade de calor necessária para provocar uma variação de temperatura em uma substância e a sua intensidade pode ser calculada de acordo com a seguinte fórmula 𝑄 𝑚 𝑐 𝛥𝑇 Sendo Q é a quantidade de calor m é a massa da substância c é o calor específico ΔT é a variação de temperatura A máquina térmica gera 500 kW de energia elétrica mas sua eficiência é de 40 Portanto a potência útil gerada pela máquina térmica que é utilizada para aquecer a água pode ser calculada da seguinte maneira 500 𝑘𝑊 040 200 𝑘𝑊 E esta potência significa que é fornecida uma energia de 200000 J em um segundo então substituindo os valores na equação do calor sensível acima para o intervalo de 1 segundo temse que 200000 𝐽 𝑚 4200 𝐽𝑘𝑔 𝐶 60𝐶 20𝐶 𝑚 200000 4200 40 𝑚 119 𝑘𝑔 Isso significa que a vazão de água que pode ser aquecida é de aproximadamente 119 kgs