Resoluções das atividades
Sumário
Aula 9 – Calorimetria II – Aprofundamento ...1
Aula 10 – Estados físicos da matéria ...2
Aula 11 – Calorimetria e mudanças de fase – Revisão ...3
Aula 12 – Propagação do calor I ...5
Aula 9
Calorimetria II – Aprofundamento
Atividades para sala
04 B
Observe o gráico a seguir.
01 B
Dados: m = 27 g; T
0 = 25 °C; T = 660 °C; c = 0,9 J · g–1 · °C–1;
Qfusão = 10,7 kJ = 10 700 J.
Para reciclar o metal, é necessário aquecê-lo até a tempe-ratura de fusão e depois fundi-lo.
Qtotal = Qsensível + Qfusão = m · c · ∆T + Qfusão Qtotal = 27 · (0,9) · (660 – 25) + 10 700 ⇒ Qtotal = 15 430,5 + 10 700 = 26 130,5 J ⇒ Qtotal = 26,1 kJ
02 B
O texto indica que a pressão atmosférica é 60 cmHg, e a tabela mostra que a altitude é 2 000 m, na qual a água ferve a 93 °C. Logo, para aquecer a água dos 10 °C de tempera-tura ambiente até 93 °C – quando começa a fervura –, são necessárias 16 600 cal.
Observe:
Q = m ⋅ c ⋅ ∆T = 200 g ⋅ 1 cal · g–1 ⋅ °C–1 · [93 – 10]°C = 16 600 cal
Sabendo que essa quantidade corresponde a apenas 50% da energia fornecida, deduz-se que o fogão forneceu, durante o aquecimento, 33 200 cal (2 ⋅ 16 600 cal). Portanto, se o fornecimento ocorre na razão de 200 cal/s, o tempo total para essa quantidade de energia foi de 166 s. 03 E
Dos fatores citados nas alternativas, o único que não está relacionado com a formação das ilhas de calor na capital potiguar é a concentração de bairros populares na peri-feria, pois estes se caracterizam pela horizontalidade ou por pequenas verticalizações, ou seja, neles predominam casas e pequenas ediicações, não os arranha-céus, que barram os ventos. T (ºC) 80 60 20 Líquido Vapor + líquido Vapor 20 40 70 80 Fim da ebulição Início da ebulição
Atividades propostas
01 B Q = m · c · ∆T = 2 500 · 1 · (35 – 21) Q = 2 500 · 14 = 35 000 cal = 35 kcal 02 CO calor especíico da areia é menor do que o da água. A areia, então, sofre mudanças de temperatura (seja para mais ou para menos) com mais facilidade que a água. Dessa forma, durante o dia, a areia se encontra mais quente que a água; já durante a noite, a areia ica fria, e a água, morna. 03 A
Calculando a massa de água que lui em 1 s: m = d · V = 1 175 · 106 = 175 · 106 kg
Da deinição de potência e de calor sensível, pode-se escrever: P Q t m c T t = ∆ = ⋅ ⋅ ∆ ∆ ⇒ 12,6 · 109 W = (175 · 106 kg) · (4,2 · 103 J/kg · ºC) · ∆T s 1 ⇒ ∆T = 0,017 ºC ≅ 10–2 ºC
Pelo gráico, conclui-se que o líquido inicia sua vapori- zação a uma temperatura de 60 ºC.
Trabalhando com o tempo de 1 minuto, para o qual se sabe que a massa de água é 3 kg (3 litros de água por minuto), tem-se: U R Q t V Q s Q J 2 200 2 10 60 240 000 = ⇒ = ⇒ = ∆ Ω .
Finalmente, sendo Q = m ⋅ c ⋅ ∆T, em que m é a massa de água, c é o calor especíico da água e ∆T é a variação de temperatura da água (a diferença entre a temperatura de saída e a temperatura de entrada), tem-se:
240 000 J = 3 kg · 4 · 103 J ⋅ kg–1 ⋅ °C–1 · (T – 20 °C) ⇒ T = 40 °C 10 A Dados:
Cágua = 1 cal g–1 · ºC = 4 200 J ⋅ kg –1 · ºC–1;
mágua = 1 t = 1 000 kg;
∆T = 100 – 20 ⇒ ∆T = 80 °C. Quantidade de calor necessária: Q = mágua = Cágua ⋅ ∆TQ = 1 000 · 4 200 · 80 Q = 336 · 106J
Utilizando o conceito de potência, tem-se: P Q t J h J s = = ⋅ = ⋅ ⋅ ∆ 336 10 1 336 10 36 10 6 6 2 P = 9,33 · 104 W P ≅ 93 333 W
Considerando que o termo linear se refere à longitudinal, ou seja, ao longo do comprimento do eixo, tem-se:
Utilizando uma regra de três simples: Área Potência (6 · x) --- 93 333 W 1 m2 --- 800 4 800x = 93 333 x = 19,44 m 04 A
Massa de gelo em fusão: Dados: Q = 2 400 kcal; Lf = 80 kcal/kg.
Da expressão do calor latente, tem-se: Q m L m Q L m kg f f = ⋅ ⇒ = =2400⇒ = 80 30
Energia para elevar a temperatura dessa massa até 30 °C: Dados: m = 30 kg; c = 1 kcal/kg ∆T °C.Da expressão do calor sensível, tem-se: Q = m ∙ c ∙ ∆T ⇒ Q = 30 · 1 · 30 ⇒ Q = 900 kcal 05 E
Calculando a quantidade total de calor que a água deve ceder ao congelador até o inal do referido congelamento: Q = m · c · ∆T + m · L
Q = 250 · 1 · (0 – 20) + 250 · (–80) = –25 000 cal Logo, o tempo necessário será:
P = Q t ∆ ⇒ 5 = 25000 ∆t ⇒ ∆t = 5 000 s 06 D Dados: I = 400 W/m2; A = 2 m2; ∆t= 1 min = 60 s.
Calculando a quantidade de calor absorvida e aplicando na equação do calor sensível, tem-se:
Q = I · A · ∆t ⇒ Q = 400 · 2 · 60 = 48 000 J Q m c T T Q m c = ⋅ ⋅∆ ⇒ ∆ = = 48000 ⇒ 6 1 000· ∆T = 8 ºC 07 C
Primeiro, calcula-se a massa de uma camada de 10 cm de neve:
m = d · V = d · A · h = 70 · 1 · 10 · 10–2 = 7 kg = 7 000 g
Apesar de a neve evaporar, a quantidade de energia envolvida neste processo é a mesma utilizada caso se tivesse derretido a neve, esquentado (até 10 °C) e vapori-zado a água resultante. Assim:
QT = m · LF + m · c · ∆T + m · LV
QT = 7 000 · 80 + 7 000 · 1 · 10 + 7 000 · 600 QT = 7 000 · (690)
QT = 4 830 000 cal ∴ QT = 4,83 ·106 cal
08 E
Sendo M a massa de lenha que sofrerá combustão, tem-se: M · LC = QT ⇒ M · 5 130 = 4 830 000 ∴ M ≅ 942 g
09 D
O calor para o aquecimento da água é gerado pela energia elétrica. Sendo P = U
R
2
a potência elétrica, em que U é a ten-são elétrica e R é a resistência. Além disso, P = Q
t ∆
, em que ∆t é o intervalo de tempo, e Q é a quantidade de calor gerado.
6 m
x
Aula 10
Estados físicos da matéria
Atividades para sala
01 C
Ao passar pelos poros do barro, a água se encontra com a superfície externa da moringa e sofre evaporação. Nesse processo, as gotículas de água esfriam por perderem suas moléculas de maior energia cinética, que absorvem calor das paredes da moringa e também da água que resta em seu interior. Consequentemente, o conjunto acaba por atingir uma temperatura menor que a do ambiente.
02 D
A evaporação da água faz com que o vapor-d'água em sus-pensão se acumule ao redor da colcha, porém, esse vapor será arrastado pelo vento, não retornando a ele, que após algum tempo secará. Essas moléculas que escapam são as que têm as maiores velocidades; portanto, restam na colcha úmida as moléculas de menores velocidades, o que caracteriza uma menor temperatura.
03 C
Etapa I: a água sofre solidiicação, passando da fase líquida para a sólida, processo indicado pela seta 2.
Etapa II: o gelo sofre sublimação, isto é, passa da fase sólida para vapor, processo indicado pela seta 3.
04 C
A vaporização e a condensação ocorrem mediante trocas de energia entre a substância e o meio no qual a substância se encontra.
01 B
De acordo com o gráico dado, quanto maior a pressão a que está submetido o líquido, maior será a sua temperatura de ebulição.
Na panela de pressão, a pressão em seu interior é maior do que a externa; isso faz com que o líquido ferva a uma temperatura maior do que quando exposto à atmosfera. O aumento da temperatura de ebulição ocasiona o cozi-mento mais rápido dos alicozi-mentos.
02 E
A válvula mantém no interior da panela uma pressão cons-tante. Enquanto a pressão se mantiver constante, a tem-peratura de ebulição da água não se alterará. Portanto, o tempo de cozimento dos alimentos também não se alterará.
03 E
Para cozer o alimento acima da temperatura de ebu-lição da água, será necessário que a pressão sobre a água e o alimento seja maior que 1 atm. Dessa forma, a panela deverá estar bem fechada (panela de pressão). O fornecimento de calor, além de elevar a temperatura, elevará, também, a pressão, permitindo que o alimento seja cozido.
04 C
O calor latente de vaporização da água é a quantidade de energia necessária para que uma quantidade de massa unitária (1 grama, 1 quilograma, 1 libra etc.) passe do estado líquido para o gasoso, não interessando em que temperatura o fenômeno ocorre.
Atividades propostas
05 D
Como irá se formar um lago, a superfície da água terá uma área muito grande, aumentando a captação de energia do Sol. Portanto, haverá maior evaporação e, consequen- temente, aumento da umidade relativa do ar.
06 C
A mudança de estado físico da matéria ocorre sob tempe-ratura constante.
07 D
O vento exerce a função de retirar a camada de ar quente que envolve a pele e acelerar, dessa forma, as trocas de calor com o ambiente.
08 B I Massa Energia kg x J J x kg x kg . , , 1 3 2 10 1 6 10 5 10 50 10 5 22 6 5 = ⋅ ⋅ = ⋅ = ⋅
II. 1 trilhão de toneladas = 1012 · 103 kg = 1015 kg.
Com isso, M = 50 trilhões de toneladas. 09 B
No fundo do mar, tem-se uma alta pressão, que não favo-rece a ebulição da água.
10 B
O fenômeno descrito é conhecido como sobrefusão. Esfriando-se lentamente um líquido e sem agitá-lo, é pos-sível levá-lo a uma temperatura abaixo da de sua solidii-cação sem, no entanto, solidiicá-lo. Se o sistema for per-turbado, por agitação ou por fornecimento de calor (ao se segurar a garrafa pelo centro, por exemplo), o líquido sofre uma solidiicação total ou parcial e sai da temperatura em que estava (de sobrefusão), migrando para a temperatura em que deveria estar (de solidiicação).
Aula 11
Calorimetria e mudanças de fase –
Revisão
Atividades para sala
01 B
Puxar o êmbolo faz com que a pressão interna da seringa sobre a água diminua. É fato conhecido que uma dimi-nuição na pressão provoca uma dimidimi-nuição na tempera-tura de ebulição.
02 A
A hipótese do professor Rugoso está correta. Quando água gelada é derramada, ocorre um resfriamento do frasco, o que acaba por produzir a condensação do vapor-d'água presente em seu interior. Isso, por sua vez, provoca um ligeira queda na pressão do vapor sobre o líquido ainda muito quente, o que acaba por fazê-lo vol-tar a ferver.
03 C
As quantidades de calor sensível liberadas por cada uma das bolas são transferidas para os blocos de gelo. Como o ferro tem maior condutividade térmica que a madeira, ele transfere calor mais rapidamente, sofrendo um res-friamento mais rápido. A quantidade de calor sensível de cada esfera é igual, em módulo, à quantidade de calor latente absorvida por cada bloco de gelo.
Q Q mc T m L m m c T L
bola gelo gelo gelo gelo gelo
= ⇒ ∆ = ⇒ = ⋅ ⋅∆ Como as massas das bolas são iguais, e as variações de temperatura também, a massa de gelo fundida em cada caso é diretamente proporcional ao calor especíico do material que constitui a bola. Assim, analisando a expressão, conclui-se que funde menor quantidade de gelo a bola de material de menor calor especíico, no caso, a de metal.
04 C
No evaporador, as bobinas resfriadas farão com que o vapor-d'água presente na composição do ar sofra con-densação, transformando-se em água líquida, que, poste-riormente, será eliminada para o reservatório.
04 C
I. Calor sensível para o aquecimento inicial da massa de água:
Q=m·c·∆T=1 000 g·1cal·g–1 ·ºC–1
(120–25) ºC = 95 000 cal
II. Calor latente para vaporização total da massa de água: Q = m · L = 1 000 g · 526 cal · g–1 = 526 000 cal
III. Quantidade total de calor absorvido no processo: Q = 526 kcal + 95 kcal = 621 kcal
05 C
A pressão interna da panela de pressão torna-se maior que a pressão atmosférica, fazendo com que a temperatura de ebulição seja maior do que em uma panela aberta, em que a pressão interna é igual à pressão atmosférica.
06 C
Para saber quanto de calor é necessário para que a quanti-dade de gelo citada sofra fusão, deve ser utilizada a relação Q = m ∙ L. Dessa forma, Q = 6 ∙ 3,3 ∙ 105 = 19,8 ∙ 105 = 1,98 ∙ 106,
ou, aproximadamente, 2 ∙ 106 J.
07 B
Dados: m = 80 kg = 80 000 g; ∆t = 40 – 36,5 = 3,5 °C; c = 1 cal/g ⋅ °C.
Da equação do calor sensível, tem-se:
Q = m ⋅ c ⋅ ∆t ⇒ Q = 80 000 · 1 · 3,5 = 280 000 cal ⇒ Q = 280 kcal
08 C
Aplicando a deinição de intensidade, tem-se, neste caso: I I m c T t A total útil= ⋅ ⇒ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⇒ ⋅ ⋅ ⋅ 40 0 4 22 10 24 3600 200 4 10 5 6 3 % , ( ∆ ∆ 0 0 10 83600 0 4 22 10 24 3600 11 6 2 − ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⇒ ≅ ) , A A m 09 C Dados:
V = 100 L ⇒ m = 100 kg;
c = 1 cal/g ⋅ °C = 4,2 J/g ⋅ °C = 4 200 J/kg ⋅ °C;
∆T = 20 °C.Quantidade de calor necessária no aquecimento: Q = m ⋅ c ⋅ ∆t = 100 (4 200) (20) = 84 · 105 J Potência útil: PU = 0,8 (5 000) = 4 000 W = 4 ⋅ 103 J/s P Q t t Q P s U U = ⇒ = = ⋅ ⋅ = = ∆ ∆ 84 10 4 10 2 100 35 5 3 minutos 10 C
O intervalo DE apresenta a vaporização do líquido, pela qual é possível determinar o calor latente de vaporização.
Atividades propostas
01 A
A capacidade do ar em reter vapor-d'água diminui com a diminuição da temperatura. A temperatura do ar junto à superfície da garrafa diminui e o vapor d'água se con-densa. Por isso, no condicionador de ar, há uma mangueira para escoar a água resultante da condensação do vapor devido ao resfriamento do ar ambiente.
02 C
A massa de ar quente e úmida irá sofrer o processo de condensação. Tomando os dados do enunciado, a potên-cia térmica P será dada por:
P Q t m L t P W kW = = ⋅ = ⋅ ⋅ ⇒ = = ∆ ∆ 15 2 26 10 339 100 000 100 6 , 03 E
Apesar de não se ter informações sobre a pressão atmos-férica local, a –55 ºC a água estaria congelada.
01 D
A madeira tem condutividade térmica menor do que a cerâmica. Estando a uma temperatura menor que a dos pés, o calor lui mais lentamente para a madeira, causando a sensação térmica de estar menos frio.
02 C
O processador e as placas difusoras estão em contato; portanto, a transmissão do calor se dá por condução. 03 E
Em relação à garrafa pintada de branco, a garrafa pintada de preto comportou-se como um corpo melhor absor- vedor durante o aquecimento e melhor emissor durante o resfriamento, apresentando, portanto, maior taxa de varia-ção de temperatura durante todo o experimento. 04 B Dados: 1 cal = 4 J; L f = 80 cal/kg; = 320 J/kg; m = 9 kg = = 9 · 103 g; ∆t = 10 h = 3,6 · 104 s. Calculando o luxo (φ): φ= = ⋅ ⇒φ= ⋅ ⋅ ⋅ Q t m L t f ∆ ∆ 9 10 320 3 6 10 3 4 , φ = 80 W
A área de luxo (A) é a soma das áreas das faces da caixa: A = 2 (0,4 · 0,6 + 0,4 · 0,4 + 0,6 · 0,4) ⇒ A = 1,28 m2
Aplicando a Lei de Fourier, obtém-se a espessura e: φ φ = ⋅ ⇒ = ⋅ ⇒ ⋅ ⋅ ⋅ = ⇒ = − k A T e e k A T m e cm ∆ ∆ 4 10 1 28 30 80 0 0192 1 92 2 , , , 01 C
A energia emitida pelo Sol dá-se por meio de ondas eletromagnéticas, constituindo um processo de radiação (ou irradiação).
02 D
Sabe-se que o ar, contido no interior das bolinhas da espuma, é mau condutor (isolante térmico).
03 B
A tirinha sugere que a personagem da direita quer tam-bém proteger suas mãos do contato térmico com o reci-piente quente, que, por condução, iria passar calor para a sua mão, podendo “queimá-la”. As luvas de amianto, por terem baixa condutividade térmica, minimizariam bastante esse luxo de calor do recipiente quente para a mão do homem, como ocorre com a personagem da esquerda.
Aula 12
Propagação do calor I
Atividades para sala
Atividades propostas
04 D
Como a lata é de alumínio (ótimo condutor térmico), o calor lui mais facilmente da mão para a lata do que da mão para a garrafa de vidro (mau condutor térmico).
05 A
Quando se diz que um cobertor aquece, na realidade se está cientiicamente falando que ele faz um papel de iso-lante térmico, impedindo que seja retirado calor do corpo para o ambiente.
06 C
O vidro do carro é transparente às ondas eletromagnéti-cas incidentes de alta frequência (luz visível e ultravioleta), porém opaco às radiações eletromagnéticas de baixa frequência (infravermelhas). Estas, sendo absorvidas e reabsorvidas pelo interior do veículo, aumentam a sua temperatura.
07 B
a) (F) Por serem de cor preta, os tanques são excelentes absorvedores de calor.
b) (V) O fenômeno descrito na alternativa B é o efeito estufa.
c) (F) A água circula por corrente de convecção.
d) (F) Se a camada é reletiva, não pode armazenar energia luminosa.
e) (F) O vidro é um mau condutor de calor. 08 D
O plástico deixa passar luz, mas é um bom isolante tér-mico, provocando o aquecimento do ambiente dentro do tanque e, consequentemente, a evaporação da água. O vapor, ao tomar contato com o plástico, que está sob menor temperatura, cede calor para o ambiente, sofrendo condensação.
09 A
A troca de calor entre Ana e o ambiente é causada pela dife-rença de temperatura entre ambos, proporcional ao valor dessa diferença (a alternativa E está incorreta). Nota-se, pelo gráico, que, à medida que caminha da região central para a residencial urbana, depois para o parque, a dife-rença de temperatura aumenta, visto que a temperatura ambiente afasta-se cada vez mais dos 36 ºC (que pode ser considerada a temperatura do corpo de Ana). A partir daí, até chegar à residencial suburbana, onde mora, a diferença de temperatura diminui um pouco. Logo, ocorre menos transferência de calor entre Ana e o ambiente na região central (a alternativa A está correta). E o parque é onde ocorre a mais intensa troca de calor (as alternativas B e C estão incorretas).
A alternativa D, por sua vez, indica a região rural, mas Ana anda no sentido oposto.
10 B
Por serem laminados, os protetores solares reletem facil-mente a radiação incidente, minimizando, assim, a quanti-dade de calor que é absorvida pelo interior do carro.
