Exercício 1.
Como resultado de um aumento de temperatura de 32oC, uma barra com uma rachadura no seu centro dobra para cima (Figura). Se a distância fixa for 3,77 m e o coeficiente de expansão linear da barra for 25 × 10-60C-1, encontre a altura
que o centro atinge.
Exercício 2.
Uma certa substância tem uma massa por mol de 50,0 g/mol. Quando 314 J são adicionados sob a forma de calor a uma amostra de 30,0 g, a temperatura da amostra sobe de 25,0oC para 45,0oC. Quais são (a) o calor específico e (b) o calor específico molar da substância? (c) Quantos moles estão presentes na amostra?
Exercício 3.
Calcule a menor quantidade de energia, em joules, necessária para fundir 130 g de prata inicialmente a 15,0oC.
Dados:
- calor específico da prata c = 236 J/kg.K - calor latente de fusão da prata LF = 105 KJ/kg - temperatura de fusão da prata θF = 962 oC = 1235 K
Exercício 4.
Um pequeno aquecedor elétrico de imersão é usado para aquecer 100 g de água para uma xícara de café instantâneo. O aquecedor tem a especificação de “200 watts” (ele converte energia elétrica em energia térmica com esta taxa). Calcule o tempo necessário para levar toda esta água de 23,0oC para 100oC, ignorando quaisquer perdas de calor.
Exercício 5.
Em um aquecedor solar de água, energia do Sol é absorvida pela água que circula através de tubos em um coletor de teto. A radiação solar penetra no coletor através de uma cobertura transparente e aquece a água nos tubos; essa água é então bombeada para um tanque de armazenamento. Suponha que a eficiência de todo o sistema seja de 20% (ou seja, 80% da energia solar incidente é perdida). Que área do coletor é necessária para aumentar a temperatura de 200 L de água no tanque de 20oC para 40oC em 1,0 h quando a intensidade de luz solar incidente é de 700 W/m2?
Dados:
- calor específico da água c = 1,0 cal/g.oC = 4190 J/kg.K
- massa específica da água ρ = 1,0 g/cm3 = 1,0 x 103 kg/m3 = 1,0 kg/L
Exercício 6.
(a) Dois cubos de gelo de 50 g são jogados em 200 g de água em um recipiente termicamente isolado. Se a água está inicialmente a 25oC e o gelo vem direto de um freezer a -15oC, qual é a temperatura final no equilíbrio térmico? (b) Qual é a temperatura final se for usado apenas um cubo de gelo?
Dados:
- calor específico do gelo c = 0,530 cal/g.oC = 2220 J/kg.K - calor específico da água c = 1,0 cal/g.oC = 4190 J/kg.K - calor latente de fusão do gelo LF = 79,5 cal/g = 333 KJ/kg
Exercício 7.
Um anel de cobre de 20,0 g a 0,000oC tem um diâmetro interno D = 2,54000 cm. Uma esfera de alumínio a 100,0oC tem um diâmetro d = 2,54508 cm. A esfera é colocada no topo do anel até que os dois atinjam o equilíbrio térmico, sem perda de calor para o ambiente. A esfera se ajusta exatamente ao anel na temperatura de equilíbrio. Qual é a massa da esfera?
Dados:
- coeficiente de expansão linear do alumínio α = 23 x 10-6oC-1 - coeficiente de expansão linear do cobre α = 17 x 10-6oC-1 - calor específico do alumínio c = 0,215 cal/g.oC = 900 J/kg.K - calor específico do cobre c = 0,0923 cal/g.oC = 386 J/kg.K
Exercício 8.
Uma amostra de gás se expande de 1,0 m3 a 4,0 m3 enquanto sua pressão decresce de 40 Pa para 10 Pa. Que trabalho é realizado pelo gás se sua pressão varia com o volume através (a) da trajetória A, (b) da trajetória B e (c) da trajetória C na Figura?
Exercício 9.
Um gás em uma câmara fechada passa pelo ciclo mostrado no diagrama p-V da Figura. Calcule a energia líquida adicionada ao sistema sob a forma de calor durante um ciclo completo.
Exercício 10.
Um gás em uma câmara passa pelo ciclo mostrado na Figura. Determine a energia transferida pelo sistema como calor durante o processo CA se a energia adicionada como calor QAB durante o processo AB for de 20,0 J, nenhuma energia for transferida como calor durante o processo BC, e o trabalho líquido realizado durante o ciclo for de 15,0 J.
Exercício 11.
Quando um sistema é levado do estado i para o estado f ao longo da trajetória iaf na Figura, Q = 50 cal e W = 20 cal. Ao longo da trajetória ibf, Q = 36 cal. (a) Quanto vale W ao longo da trajetória ibf? (b) Se W = -13 cal para a trajetória de volta fi, quanto vale Q para esta trajetória? (c) Se Eint, i = 10 cal, quanto vale Eint, f? Se Eint, b = 22 cal, quanto vale Q para (d) a trajetória ib e (e) a trajetória bf?
Exercício 12.
Se você passeasse brevemente no espaço longe do Sol sem uma roupa adequada (como fez um astronauta no filme 2001 – Uma Odisséia no Espaço), você sentiria o frio do espaço – enquanto irradiasse energia, você absorveria quase nada de seu ambiente. (a) A que taxa você perderia energia? (b) Quanta energia você perderia em 30 s? Suponha que sua emissividade é 0,90 e estime outros dados necessários para os cálculos.
(Sugestão: área exposta do corpo humano = 0,27 m2; temperatura do corpo humano = 37oC)
Exercício 13.
Considere a placa mostrada na Figura. Suponha que L = 25,0 cm, A = 90,0 cm2 e que o material é cobre. Se TQ = 125oC, TF = 10,0oC e um estado estacionário é atingido, encontre a taxa de condução térmica através da placa.
Dado: condutividade térmica do cobre k = 401 W/m.K
Exercício 14.
(a) (a) Qual é a taxa de perda de energia em watts por metro quadrado através de uma janela de vidro de 3,0 mm de espessura se a temperatura externa é -20oF e a temperatura interna é +72oF? (b) Uma janela para tempestade é preparada com um vidro de mesma espessura instalado paralelo ao primeiro com um espaçamento de ar entre eles de 7,5 cm. Qual é agora a taxa de perda de energia se a condução for o único mecanismo de perda de energia?
Dados:
- condutividade térmica do ar k = 0,026 W/m.K - condutividade térmica do vidro k = 1,0 W/m.K
Exercício 15.
A Figura mostra (em seção transversal) uma parede composta de quatro camadas, com condutividade térmica K1 = 0,060 W/m.K, K3 = 0,040 W/m.K e K4 = 0,12 W/m.K (K2 não é conhecido). As espessuras das camadas são L1 = 1,5 cm, L3 = 2,8 cm e L4 = 3,5 cm (L2 não é conhecida). A transferência de energia através da parede é estacionária. Qual é a temperatura da interface entre as camadas 3 e 4?
Exercício 16.
Um reservatório de água ao ar livre em um dia frio tem uma camada de gelo de 5,0 cm de espessura formada na superfície. O ar acima do gelo está a -10oC. Calcule a taxa de formação de gelo (em centímetros por hora) dessa camada. Tome a condutividade térmica do gelo como 0,0040 cal/cm.oC.s e a sua densidade como 0,92 g/cm3. Suponha que não há transferência de energia nem através das paredes nem através do fundo do tanque.
