Calorimetria e Mudança de fases

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Calorimetria e Mudança de

fases

Parte I

1. (Uerj 2014) A energia consumida por uma pessoa adulta em um dia é igual a 2 400 kcal.

Determine a massa de gelo a 0°C que pode ser totalmente liquefeita pela quantidade de energia consumida em um dia por um adulto. Em seguida, calcule a energia necessária para elevar a temperatura dessa massa de água até 30°C. 2. (Uerj 2014) Um sistema é constituído por uma pequena esfera metálica e pela água contida em um reservatório. Na tabela, estão apresentados dados das partes do sistema, antes de a esfera ser inteiramente submersa na água.

Partes do sistema Temperatura

inicial (°C) Capacidade térmica (cal/°C) esfera metálica 50 2 água do reservatório 30 2000

A temperatura final da esfera, em graus Celsius, após o equilíbrio térmico com a água do reservatório, é cerca de: a) 20

b) 30 c) 40 d) 50

3. (Espcex (Aman) 2014) Em uma casa moram quatro pessoas que utilizam um sistema de placas coletoras de um aquecedor solar para aquecimento da água. O sistema eleva a temperatura da água de 20°C para 60°C todos os dias.

Considere que cada pessoa da casa consome 80 litros de água quente do aquecedor por dia. A situação geográfica em que a casa se encontra faz com que a placa do aquecedor receba por cada metro quadrado a quantidade de 2,016 10 J⋅ 8 de calor do sol em um mês.

Sabendo que a eficiência do sistema é de 50%, a área da superfície das placas coletoras para atender à demanda diária de água quente da casa é de:

Dados:

Considere um mês igual a 30 dias Calor específico da água: c=4,2 J/g °C Densidade da água: d=1 kg/L a) 2,0 m2 b) 4,0 m2 c) 6,0 m2 d) 14,0 m2 e) 16,0 m2

4. (Unicamp 2013) A boa ventilação em ambientes fechados é um fator importante para o conforto térmico em regiões de clima quente. Uma chaminé solar pode ser usada para aumentar a ventilação de um edifício. Ela faz uso da energia solar para aquecer o ar de sua parte superior, tornando-o menos denso e fazendo com que ele suba, aspirando assim o ar dos ambientes e substituindo-o por ar vindo do exterior.

a) A intensidade da radiação solar absorvida por uma placa usada para aquecer o ar é igual a 400 W/m2. A energia absorvida durante 1,0 min por uma placa de 2 m2 é usada para aquecer 6,0 kg de ar. O calor específico do ar

é 1000 J .

kg C =

°

c Qual é a variação de temperatura do

ar nesse período?

b) A densidade do ar a 290 K é ρ=1,2 kg/m .3 Adotando-se um número fixo de moles de ar mantido a pressão constante, calcule a sua densidade para a temperatura de 300 K. Considere o ar como um gás ideal.

5. (Pucrj 2013) Um líquido é aquecido através de uma fonte térmica que provê 50,0 cal por minuto. Observa-se que 200 g deste líquido se aquecem de 20,0 °C em 20,0 min.

Qual é o calor específico do líquido, medido em cal/(g °C)? a) 0,0125

b) 0,25 c) 5,0 d) 2,5 e) 4,0

6. (Uerj 2013) Em um laboratório, as amostras X e Y, compostas do mesmo material, foram aquecidas a partir da mesma temperatura inicial até determinada temperatura final.

Durante o processo de aquecimento, a amostra X absorveu uma quantidade de calor maior que a amostra Y.

Considerando essas amostras, as relações entre os calores específicos cX e cY, as capacidades térmicas CX e CY e as massas mX e mY são descritas por:

a) cX = cY CX > CY mX > mY b) cX > cY CX = CY mX = mY c) cX = cY CX > CY mX = mY d) cX > cY CX = CY mX > mY

7. (Unesp 2013) Determinada substância pura encontra-se inicialmente, quando t = 0 s, no estado sólido, a 20 °C, e recebe calor a uma taxa constante. O gráfico representa apenas parte da curva de aquecimento dessa substância, pois, devido a um defeito de impressão, ele foi

interrompido no instante 40 s, durante a fusão da substância, e voltou a ser desenhado a partir de certo instante posterior ao término da fusão, quando a substância encontrava-se totalmente no estado líquido.

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calor específico na fase sólida é igual a 0,03 cal/(g.°C), calcule a quantidade de calor necessária para aquecê-la desde 20 °C até a temperatura em que se inicia sua fusão, e determine o instante em que se encerra a fusão da

substância.

8. (Uerj 2013) Considere duas amostras, X e Y, de materiais distintos, sendo a massa de X igual a quatro vezes a massa de Y.

As amostras foram colocadas em um calorímetro e, após o sistema atingir o equilíbrio térmico, determinou-se que a capacidade térmica de X corresponde ao dobro da capacidade térmica de Y.

Admita que c e _X c sejam os calores específicos, _Y respectivamente, de X e Y. A razão X Y c c é dada por: a) 1 4 b) 1 2 c) 1 d) 2

9. (Enem 2013) Aquecedores solares usados em

residências têm o objetivo de elevar a temperatura da água até 70°C. No entanto, a temperatura ideal da água para um banho é de 30°C. Por isso, deve-se misturar a água

aquecida com a água à temperatura ambiente de um outro reservatório, que se encontra a 25°C.

Qual a razão entre a massa de água quente e a massa de água fria na mistura para um banho à temperatura ideal? a) 0,111.

b) 0,125. c) 0,357. d) 0,428. e) 0,833.

10. (Unifesp 2012) Um calorímetro de capacidade térmica 10 cal/ºC, contendo 500 g de água a 20 ºC, é utilizado para determinação do calor específico de uma barra de liga metálica de 200 g, a ser utilizada como fundo de panelas para cozimento. A barra é inicialmente aquecida a 80 ºC e imediatamente colocada dentro do calorímetro, isolado termicamente. Considerando o calor específico da

água 1,0 cal/(g · ºC) e que a temperatura de equilíbrio térmico atingida no calorímetro foi 30 ºC, determine: a) a quantidade de calor absorvido pelo calorímetro e a

quantidade de calor absorvido pela água. b) a temperatura final e o calor específico da barra. 11. (Uerj 2012) Considere X e Y dois corpos homogêneos, constituídos por substâncias distintas, cujas massas correspondem, respectivamente, a 20 g e 10 g.

O gráfico abaixo mostra as variações da temperatura desses corpos em função do calor absorvido por eles durante um processo de aquecimento.

Determine as capacidades térmicas de X e Y e, também, os calores específicos das substâncias que os constituem. 12. (Pucrj 2012) Um copo com 300 ml de água é colocado ao sol. Após algumas horas, verifica-se que a temperatura da água subiu de 10 °C para 40 °C.

Considerando-se que a água não evapora, calcule em calorias a quantidade de calor absorvida pela água.

Dados: dágua = 1 g/cm3 e cágua = 1 cal/g °C

a) 1,5 × 105 b) 2,0 × 105 c) 3,0 × 103 d) 9,0 × 103 e) 1,2 × 102

13. (Pucrj 2012) Uma barra metálica, que está sendo trabalhada por um ferreiro, tem uma massa M = 2,0 kg e está a uma temperatura Ti. O calor específico do metal é cM

= 0,10 cal/g °C. Suponha que o ferreiro mergulhe a barra em um balde contendo 10 litros de água a 20 °C. A

temperatura da água do balde sobe 10 °C com relação à sua temperatura inicial ao chegar ao equilíbrio.

Calcule a temperatura inicial Ti da barra metálica.

Dado: cágua = 1,0 cal/g °C e dágua = 1,0 g/cm3

a) 500 °C b) 220 °C c) 200 °C d) 730 °C e) 530 °C

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14. (Unesp 2012) Clarice colocou em uma xícara 50 café a 80 °C, 100 mL de leite a 50 °C e, para cuidar de sua forma física, adoçou com 2 mL de adoçante líquido a 20 °C. Sabe-se que o calor específico do café vale 1 cal/(g.°C), do leite vale 0,9 cal/(g.°C), do adoçante vale 2 cal/(g.°C) e que a capacidade térmica da xícara é desprezível.

Considerando que as densidades do leite, do café e do adoçante sejam iguais e que a perda de calor para a atmosfera é desprezível, depois de atingido o equilíbrio térmico, a temperatura final da bebida de Clarice, estava entre a) 75,0 e 85,0. b) 65,0 e 74,9. c) 55,0 e 64,9. d) 45,0 e 54,9. e) 35,0 e 44,9.

15. (Uftm 2012) Em uma choperia, o chope é servido à razão de 1 litro por minuto. Em um dia, cuja temperatura é de 24,5 C,° a bebida é introduzida na serpentina da chopeira à temperatura ambiente e, dela, sai a

capacidade da chopeira é de 20 kg de gelo, colocado sobre a serpentina a 4 C− ° (cgelo =0,5 cal g C

(

f

L =80 cal g). Considere d_chope =1,0 g cm

(

)

chope

c =1,0 cal g C .⋅ °

Considerando que não há qualquer tipo de perda de energia térmica entre o meio ambiente e a chopeira, determine:

a) a massa de gelo que se converte em água, de chope retirado.

b) o intervalo de tempo necessário para que se reponha o gelo, de modo a manter sempre a mesma temperatura final do chope.

Clarice colocou em uma xícara 50 mL de café a 80 °C, 100 mL de leite a 50 °C e, para cuidar de sua forma física, adoçou com 2 mL de adoçante líquido a 20 °C.

se que o calor específico do café vale 1 cal/(g.°C), do leite vale 0,9 cal/(g.°C), do adoçante vale 2 cal/(g.°C) e que

idade térmica da xícara é desprezível.

Considerando que as densidades do leite, do café e do adoçante sejam iguais e que a perda de calor para a atmosfera é desprezível, depois de atingido o equilíbrio térmico, a temperatura final da bebida de Clarice, em °C,

Em uma choperia, o chope é servido à razão de 1 litro por minuto. Em um dia, cuja temperatura é

a bebida é introduzida na serpentina da chopeira à temperatura ambiente e, dela, sai a 4 C.° A

de gelo, colocado sobre

)

c =0,5 cal g C⋅ ° e 3

d 1,0 g cm e

Considerando que não há qualquer tipo de perda de energia térmica entre o meio ambiente e a chopeira,

a massa de gelo que se converte em água, para cada litro o intervalo de tempo necessário para que se reponha o gelo, de modo a manter sempre a mesma temperatura

16. (Ufmg 2010) Considere estas informações: • a temperaturas muito baixas, a água está semp sólida;

• aumentando-se a pressão, a temperatura de fusão da água diminui.

Assinale a alternativa em que o diagrama de fases pressão

versus temperatura para a água está de acordo com essas

informações.

a)

b)

c)

d)

17. (Pucmg 2010) Quando aquecemos água em nossas casas utilizando um recipiente aberto, sua temperatura nunca ultrapassa os 100 ºC. Isso ocorre porque:

a) ao atingir essa temperatura, a água perde sua capacidade de absorver calor.

b) ao atingir essa temperatura, a água passa a perder exatamente a mesma quantidade de calor que está recebendo, mantendo assim sua temperatura constante. c) as mudanças de fase ocorrem à temperatura constante. d) ao atingir essa temperatura, a água começa a expelir o

oxigênio e outros gases nela dissolvidos.

18. (Ufop 2010) No gráfico abaixo, onde é mostrada a temperatura T em função do tempo, são representados os

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• a temperaturas muito baixas, a água está sempre na fase se a pressão, a temperatura de fusão da

Assinale a alternativa em que o diagrama de fases pressão temperatura para a água está de acordo com essas

Quando aquecemos água em nossas casas utilizando um recipiente aberto, sua temperatura nunca ultrapassa os 100 ºC. Isso ocorre porque:

ao atingir essa temperatura, a água perde sua capacidade de absorver calor.

tura, a água passa a perder exatamente a mesma quantidade de calor que está recebendo, mantendo assim sua temperatura constante. as mudanças de fase ocorrem à temperatura constante.

ao atingir essa temperatura, a água começa a expelir o o e outros gases nela dissolvidos.

No gráfico abaixo, onde é mostrada a temperatura T em função do tempo, são representados os

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processos de resfriamento de três materiais diferentes de massas iguais. Os materiais foram colocados em u

congelador que pode extrair suas energias a uma certa taxa constante.

Analisando o gráfico e sabendo que o resfriamento de cada material começou no estado líquido e terminou no estado sólido, é correto afirmar que

a) a temperatura do ponto de fusão do material 2 é menor do que a temperatura do ponto de fusão do material 3. b) o calor latente de fusão do material 1 é maior do que o

calor latente de fusão do material 2.

c) o calor específico no estado sólido do material 2 é maior do que o calor específico no estado sólido do material 1. d) o calor específico no estado líquido do material 3 é maior

do que o calor específico no estado líquido do material 1.

TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO:

A tabela abaixo mostra a quantidade de alguns dispositi elétricos de uma casa, a potência consumida por cada um deles e o tempo efetivo de uso diário no verão.

Dispositivo Quantidade Potência

(kW) ar-condicionado 2 1,5 geladeira 1 0,35 lâmpada 10 0,10

Considere os seguintes valores:

• densidade absoluta da água: 1,0 g/cm3 • calor específico da água: 1,0 cal.g-1 0C-1 • 1 cal = 4,2 J

• custo de 1 kWh = R$ 0,50

19. (Uerj 2010) No inverno, diariamente, um aquecedor elétrico é utilizado para elevar a temperatura de

de água em 30 ºC.

Durante 30 dias do inverno, o gasto total com este dispositivo, em reais, é cerca de:

a) 48 b) 63 c) 96 d) 126

processos de resfriamento de três materiais diferentes de massas iguais. Os materiais foram colocados em um congelador que pode extrair suas energias a uma certa taxa Analisando o gráfico e sabendo que o resfriamento de cada material começou no estado líquido e terminou no estado

o material 2 é menor do que a temperatura do ponto de fusão do material 3. o calor latente de fusão do material 1 é maior do que o o calor específico no estado sólido do material 2 é maior

pecífico no estado sólido do material 1. o calor específico no estado líquido do material 3 é maior do que o calor específico no estado líquido do material 1.

A tabela abaixo mostra a quantidade de alguns dispositivos elétricos de uma casa, a potência consumida por cada um deles e o tempo efetivo de uso diário no verão.

Tempo efetivo de uso diário (h) 8 12 6

No inverno, diariamente, um aquecedor elétrico é utilizado para elevar a temperatura de 120 litros Durante 30 dias do inverno, o gasto total com este

20. (Fgv 2009) Como não ia tomar banho naquele momento, um senhor decidiu adiantar o processo de enchimento de seu ofurô (espécie de banheira oriental), deixando-o parcialmente cheio. Abriu o registro de água fria que verte 8 litros de água por minuto e deixou derramar água à temperatura de 20

No momento em que for tomar seu b

abrirá a outra torneira que fornece água quente a 70 que é semelhante à primeira, despejando água na mesma proporção de 8 litros por minuto sobre a água já existente no ofurô, ainda à temperatura de 20

temperatura da água do banho seja de 30

desconsiderando perdas de calor para o ambiente e o ofurô, pode-se estimar que o tempo que deve ser mantida aberta a torneira de água quente deve ser, em minutos, a) 2,5. b) 3,0. c) 3,5. d) 4,0. e) 4,5.

Parte II

1. (Ufjf 2011) Um funcionário de uma lanchonete precisa aquecer 1,0 litro de água que, inicialmente, está à temperatura ambiente T0 = 25º C

ebulidor de água, mostrado na figura abaixo, que possui uma resistência R =12,1Ω e é feito para funcionar com a diferença de potencial V = 110 Volts

Ele mergulha o ebulidor dentro da água, liga atender um cliente.

a) Calcule o tempo para a água atingir a temperatura 100ºC.

b) Calcule o tempo para a água evaporar completamente. c) Esboce o gráfico da temperatura em função do tempo

para o processo de aquecimento e vaporização da água.

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momento, um senhor decidiu adiantar o processo de nchimento de seu ofurô (espécie de banheira oriental),

o parcialmente cheio. Abriu o registro de água fria que verte 8 litros de água por minuto e deixou-o derramar água à temperatura de 20 °C, durante 10 minutos. No momento em que for tomar seu banho, esse senhor abrirá a outra torneira que fornece água quente a 70 °C e que é semelhante à primeira, despejando água na mesma proporção de 8 litros por minuto sobre a água já existente no ofurô, ainda à temperatura de 20 °C. Para que a

gua do banho seja de 30 °C,

desconsiderando perdas de calor para o ambiente e o se estimar que o tempo que deve ser mantida aberta a torneira de água quente deve ser, em minutos,

Um funcionário de uma lanchonete precisa litro de água que, inicialmente, está à

= 25º C. Para isso, ele utiliza o ebulidor de água, mostrado na figura abaixo, que possui

Ω e é feito para funcionar com a 110 Volts .

Ele mergulha o ebulidor dentro da água, liga-o e sai para Calcule o tempo para a água atingir a temperatura T0 =

gua evaporar completamente. Esboce o gráfico da temperatura em função do tempo

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recipiente com 0,5 L de água é aquecido em um fogão. A temperatura da água aumenta desde 25o

C até 100o C.

Considere para a água: densidade

ρ =1,0 kg / L; calor latente de vaporização L_υ= 540 cal/ g; calor específico c = 1,0 cal / go

C .

a) Calcule a quantidade de calor cedida à água, para que sua temperatura aumente desde 25o _{C até 100}o _C. b) Supondo que a quantidade de calor total cedida à água,

até o momento em que se apaga a chama do fogão, foi de 145500 cal, calcule o volume de água, em litros, que ficou no recipiente para ser utilizada no preparo do café. 3. (Ufjf 2007) Considere uma pessoa que consuma 1200 kcal de energia diariamente e que 80% dessa energia seja transformada em calor. Se esse calor for totalmente transferido para 100 kg de água, qual variação de temperatura ocorreria na água? (1 cal = 4,18 J, calor específico da água = 4,18 kJ/kg.K). a) 1,0 °_C. b) 9,6 °_C. c) 1,2 °_C. d) 8,0 °_C. e) 10 °_C.

4. (Ufjf 2007) Um bloco de gelo com 5 kg de massa encontra-se a - 20 °C.

Dados: calor específico: gelo (cg = 0,50 cal g-1 (°C)-1), chumbo (cc = 0,031 cal g-1 (°C)-1)

calor latente de fusão: gelo (Lg = 80 cal g-1), chumbo (Lc = 5,9 cal g-1)

temperatura de fusão: gelo (Tg = 0 °C), chumbo (Tc = 327,3

°_C)

a) Calcule a quantidade de calor necessário para derreter completamente o bloco de gelo.

b) Com o calor necessário para derreter o bloco de gelo calculado no item acima, qual seria a massa de um bloco de chumbo que poderia ser derretido, se esse bloco de chumbo estivesse inicialmente, também a - 20 °C?

c) A que grandeza(s) física(s) você atribui essa diferença na massa que você calculou no item b)?

5. (Ufjf 2006) Um bloco de chumbo de 6,68 kg é retirado de um forno a 300°C e colocado sobre um grande bloco de gelo a 0°C. Supondo que não haja perda de calor para o meio externo, qual é a quantidade de gelo que deve ser fundida?

Dados: calor específico do gelo a 0°C = 2100 J/(kg.K) calor latente de fusão do gelo = 334 x 103 J/kg calor específico do chumbo = 230 J/(kg.K)

calor latente de fusão do chumbo = 24,5 x 103 J/kg temperatura de fusão do chumbo = 327°C

6. (Ufjf 2002) Quando uma pessoa cozinha um ovo numa vasilha com água, pode diminuir a intensidade da chama do fogo que aquece a vasilha tão logo a água começa a ferver. Baseando-se na Física, assinale a alternativa que explica porque a pessoa pode diminuir a intensidade da chama e ainda assim a água continua a ferver.

a) Durante a mudança de estado, a quantidade de calor cedido para a água diminui e sua temperatura aumenta. b) Durante a mudança de estado, a quantidade de calor

cedido para a água e sua temperatura diminuem. c) Apesar do calor estar sendo cedido mais lentamente, na

mudança de estado, enquanto houver água em estado líquido na vasilha, sua temperatura não varia. d) O calor é cedido mais lentamente para a água,

aumentando a temperatura de mudança de estado da água.

e) O calor é cedido mais lentamente para a água, diminuindo a temperatura de mudança de estado da água.

7. (Ufjf 2002) Um aluno do ensino médio foi passar o carnaval numa cidade praiana e notou que, quando ia esquentar água para cozinhar, esta entrava em ebulição à temperatura de 100°C. Nas férias de julho, este mesmo aluno foi acampar no Parque Estadual da Serra do Ibitipoca, que fica a uma altitude próxima de 1700 m. Lá, notou que a água entrava em ebulição a uma temperatura menor que 100°C. Explique, baseado na Física, porque isto ocorre.