Roteiro de Trabalho - Física II - Fluidos Calor Termodinâmica Ondas

ESAMC Física II 1º Semestre de 2021 Roteiro de Trabalho para Avaliação de Alunos em Regime Especial Nome RA O objetivo deste trabalho é avaliar o conhecimento do aluno em relação aos tópicos abordados na disciplina Física II Esses tópicos são agrupados em quatro módulos resumidos a seguir Módulo A Fluidos O que é um uido Fluidos em repouso Medindo a pressão Princípio de Pascal Princípio de Arquimedes Módulo B Calor e Termodinâmica Temperatura Dilatação térmica linear supercial e volumétrica Calor e condução de calor As leis da Termodinâmica Módulo C Teoria Cinética dos Gases Pressão Velocidade média quadrática e energia cinética de translação Livre caminho médio Calores especícos a volume e pressão constante O gás ideal Módulo D Ondas Tipos de ondas Ondas transversais e longitudinais Comprimento de onda frequência e velocidade de uma onda O princípio de superposição de ondas Interferências de ondas e ressonância Velocidade do som intensidade e nível sonoro Efeito Doppler Velocidades supersônicas e ondas de choque Bibliograa básica R Resnick e D Halliday Fundamentos de Física vol 2 São Paulo 8a edição ed LTC 2008 PAUL A TIPLER Física Vol1 6a Edição ed LTC 2009 YOUNG Hugh D FREEDMAN Roger A Termodinâmica e Ondas 12a edição Ed ADDI SON WESLEY 2009 Bibliograa complementar BORGNAKKE Claus Fundamentos da Termodinâmica Tradução da 7a edição americana Ed Blucher 2009 ALONSO E FINN Mecânica São Paulo ed Eduardo Blucher J P MCKELVEY E H GROTCH Física vol 1 e 2 São Paulo ed Harbra Row 1a edição1979 H MOYSES NUSSENZVEIG Física básica vol 1 e 2 São Paulo 1a edição ed Eduardo Blucher 1981 JEWETT Jr JOHN W SERWAY Raymond A Física Para Cientistas E Engenheiros Vol 2 Oscilações Ondas E Termodinâmica 8a edição Ed Cengage Learning 2012 Módulos A e B 1 A janela de um escritório possui dimensões de 34 m por 21 m Por causa de uma tempestade a pressão atmosférica exterior cai para 096 atm enquanto a pressão atmosférica no interior da sala permanece em 1 atm Qual é a força resultante para fora em newtons que age sobre a janela Dado 1 atm 101 105 Nm2 2 Água ui por um cano de seção transversal constante com 11 cm de diâmetro como mos trado na gura abaixo Ela possui uma velocidade de 5 ms na parte inferior e percorre 2 m de altura antes de ser despejada no meio ambiente onde a pressão atmosférica local vale 1 atm a Assumindo a conservação do uxo qual é a velocidade da água ao sair do cano b Calcule a pressão p1 usando a equação de Bernoulli c Determine o tempo necessário em segundos para que 1 m3 de água escoa pela abertura do cano Dados 1 atm 101 105 Nm2 g 98 ms2 e ρágua 103 kgm3 3 Um tanque de alumínio com volume de 1000 litros está completamente cheio de gasolina Ambos estão a uma temperatura de 12C O tanque é transportado para um lugar onde a temperatura é 37C e devido à diferença entre os coecientes de expansão volumétrica do metal e do líquido a gasolina vaza do tanque Assumindo que o tanque se expande como um volume maciço de alumínio quantos litros de gasolina transbordam do tanque Dados βAl 7 105C e βgas 95 104C 4 Em um determinado experimento desejase estudar a expansão de um gás do estado i para o estado f por três caminhos diferentes no diagrama pV Com base na gura a seguir onde a pressão está indicada em atmosferas e o volume em litros determine o trabalho realizado pelo gás em joules a Ao longo do caminho iaf b Ao longo do caminho if c Ao longo do caminho ibf Dados 1 atm 101 105 Nm2 e 1 litro 103 m3 Módulos C e D 1 Um litro de um gás com γ 13 está à temperatura 273 K e 1 atm de pressão O gás é comprimido adiabaticamente até metade do seu volume inicial a Qual é a pressão nal do gás b Qual é a temperatura nal do gás c O gás é resfriado de volta a 273 K com a pressão mantida constante Qual é o seu volume nal 2 Enquanto caminha pela praia uma pessoa vê uma lata de alumínio amassada cuja massa é 100 gramas A lata cou no sol durante o dia todo e está a uma temperatura de 80 C A pessoa pega a lata de alumínio quente e a joga no mar que está a 20 C de temperatura A lata transfere energia para o oceano na forma de calor até ambos atingirem o equilíbrio térmico Além de poluir o meio ambiente quanto essa pessoa aumentou a entropia do universo Dados cAl 900 Jkg K e TK 273 TC 3 Dois altofalantes dispostos em paredes opostas de uma sala com 10m de comprimento emitem ondas senoidais puras com f 170 Hz de maneira coerente Se estivéssemos exatamente no meio da sala onde a interferência das ondas é construtiva qual é a menor distância que deveríamos nos deslocar em direção a um dos altofalantes de modo que as ondas se cancelassem completamente Assuma que a velocidade do som no ar é 340 ms 4 O olho humano é um sistema óptico que por formar imagens a partir de uma abertura a pupila está sujeito a efeitos de difração da luz Considerando o diâmetro da pupila como sendo 15 mm e que a sensibilidade visual máxima ocorre em λ 550 nm utilize o critério de Rayleigh para calcular qual deve ser a distância entre os pixels da tela de um computador para que um usuário a 50 cm de distância não consiga distinguir esses pontos Módulos AB 1 Δp FA Δp 1 096 atm Δp 004 atm Sabese que 1 atm 105 Pa daí Δp 4000 Pa Temos que A 34 x 21 m2 714 m2 Portanto F Δp A F 4 103 714 F 2856 104 N 2 a Vazão volume tempo Área x veloc constante A1 v1 A2 v2 π 112 1022 5 π 112 1022 v2 Como A1 A2 v1 v2 5 ms Essa relação está no Holliday vol 2 no tópico 146 b p1 ρ g h1 ρ v12 2 p2 ρ g h2 ρ v22 2 h1 0 p2 patm ρ g h2 1 atm 103 98 2 p1 105 196 103 101 105 0196 105 p1 1206 105 Nm2 c τ vazão A1 v1 π 112 1022 5 volume Δt 00475 1 Δt Δt 1 00475 Δt 2105 s 3 gasolina Tanque de Alumínio θ0 12ºC θf 37ºC Calcular o volume aparente de dilatação volumétrica da gasolina β Coef de dilatação superficial γ coef de dilatação volumétrica α 1 β 2 γ 3 daí γ 15 β logo γAl 15 7 105 ºC1 105 105 ºC1 γGasol 15 95 104 ºC1 1425 104 ºC1 A relação dos volumes é ΔVGasol ΔVaparente ΔVAlumínio Transborda V0 γGasol Δθ ΔVaparente V0 Δθ γGasol γAl ΔVaparente 103 litros 37 12 ºC 1425 104 105 104 ºC1 ΔVaparente 33 litros 4 Calcular o trabalho em a i a f b i f c i b f Wia p ΔV Wia 4 atm 1 2 litros Wia 4 105 Nm2 2 litros m2 403 m3 Wia 8 102 Nm af W 0 ΔV 0 Wif Área do Wif 2 103 m3 3 105 Nm2 2 Wif 3 102 Nm c i b Wib 0 ΔV 0 bf Wbf p ΔV Wbf 1 105 Nm2 2 103 m3 Wbf 2 102 Nm Módulos C e D 1 V0 1L γ 13 θ0 273 K p0 1 atm Vf 12 L Comprimento adiabático constante a pf b θf c Gás é resfriado até θ0 273K com p cte Qual o Vf transf adiabática p0 V0γ pf Vfγ 105 10313 pf 05 10313 pf 246 104 Nm2 Letra a Transformação qualquer P0V0 T0 PfVf Tf Tf PfVfT0 P0V0 246104 05103 273 105 103 Tf 3358 K Letra b transformação com P cte V0 T0 Vf Tf Vf Tf T0 Vo Vf 273 3358 015 103 4065 104 m3 04065 litros Letra c 2 m 01Kg 100g θ0 80C θf 20C essa temperatura se mantém ΔQ m c Δθ ΔQ 01Kg 900J KgK 60K ΔQ 54 KJ ΔS ΔQ T Essa definição é válida para processos isotérmicos ou seja em que haja trocos de calor tão pequenos ou lentos que não sejam capazes de mudar a temperatura do sistema ΔS 54 103 J 20 273 K 54 103 J 293 K 1843 JK 3 f 170Hz em fase vson 340 ms v λ f λ 340 170 2 m d2 d1 n λ 2 Interf construt d2 d1 2n 1 λ 2 Interf destrut n 012 10 x x 2n 1 22 para a menor distância deslocada d n 0 logo 10 2x 1 2x 9 x 45 m portanto a dist deslocada é 05 m 4 diâmetro pupila 15 mm d λmáx 550 nm Fórmula de Rayleigh senθ θ 122 λ d θ 122 λ d Além disso tgθ θ Δl L Igualando 122 λ d Δl L Δl 122 λ L d Δl 122 550 109 50 102 15 103 022 mm