Questões Sobre Calorimetria - Física - 2º ano do ensino médio

O gráfico apresentado representa um diagrama de fases, no qual não se sabe quais são os estados da matéria para cada faixa de temperatura. O trecho BC representa uma mudança de estado, devido à temperatura permanecer constante com o fornecimento de calor, entretanto, não se sabe se o processo é de fusão, com uma mistura de sólido e líquido, ou de vaporização, com uma mistura de líquido e vapor. Da mesma maneira, não se pode saber quais as fases em que a matéria se apresenta nos trechos AB e CD. Portanto, a resposta correta é a alternativa B.

a) Incorreta, pois moléculas de água não pegam fogo.
b) Incorreta, pois nesse experimento, o bloco de metal não passa por combustão, por estar dentro da água.
c) Incorreta, pois estes termos não participaram de sistemas térmicos conjuntamente ao longo da história da Física.
d) Correta, pois o fenômeno descrito pelo Conde Rumford diz respeito à conversão de energia cinética em energia térmica (calor), que viria a ser explicado posteriormente por Mayer e também por Joule.
e) Incorreta, pois o calor move-se de um corpo para outro, o que não se configura como uma troca.

A água em 40ºC encontra-se em estado líquido. O calor ganho varia sua temperatura, logo, é sensível :

 

Q=m.c.ΔT (suponha m=1 g)

Q=1.(100-40) = 60cal

 

Já na vaporização (mudança de estado físico), a água mantém sua temperatura constante, logo, o calor é latente:

 

Q=m.L_v (suponha m=1 g)

Q=1.540 = 540cal

 

Portanto, a água recebeu 540 + 60 = 600 calorias , para vaporizar-se totalmente, mas o início da vaporização se dá com a água a 100ºC, depois de ter recebido as 60 calorias. Pelo enunciado, a chama gasta 1 minuto para ceder 60 calorias para a água. Logo, para 540 calorias, ela gastará cerca de 9 minutos.

Portanto, a alternativa correta é a letra B.

Analisando cada item:

I.A quantidade de calor recebido pela água é utilizada no processo de agregação da matéria, logo não há quantidade de calor fornecida para a mudança de temperatura. Verdadeiro.

II. Calor latente é dado pela seguinte equação:

como Q=quantidade de calor fornecido para a mudança de estado e m=massa da substância. Logo a condensação e a vaporização da água recebe a mesma quantidade de calor,em modulo, logo o calor latente de ambos são iguais.Falso

III. Como é de conhecimento de todos a água possui um ponto tripulo, no qual a existência dos três estados.

No início a água estava no estado sólido à 0 °C. Com isso, uma dada quantidade de energia foi necessária para converter o gelo para a água no estado líquido. 

Em seguida, a temperatura da água começou a variar até atingir 100 °C, e assim foi necessário mais energia para converter a água do estado líquido para o estado gasoso.

Por fim, houve a variação da temperatura do vapor, que foi de 100 °C para 120 °C.

Logo, o gráfico que melhor representa o comportamento da temperatura em função do tempo é:

Alternativa A)

 Na situação descrita temos 4 processos calorimétricos:

 

 Sabendo que a potência é dada por P = ΔE/Δt, temos:

P = Q/Δt = 304500 J/5 min = 304500 J/300 s

P = 1015 W

Para transformar 200g de gelo em água a 30 ^oC, duas etapas estão envolvidas:
1- a mudança do estado sólido (gelo) para estado líquido, em que a temperatura não é alterada;
2- elevação da temperatura da água de 0 ^oC para 30 ^oC.

Para a primeira etapa, sabe-se que o calor latente de fusão (L) é 80 cal.g^-1. A energia necessária (Q₁) para a mudança de estado de 200 g de gelo (m_gelo) pode ser calculada da seguinte forma:

Q₁ = m_gelo. L
Q₁ = 200 g . 80 cal.g^-1
Q₁ = 16 000 cal
Q₁ = 16 kcal

Para a segunda etapa, sabe-se que o calor específico da água é 1,0 cal.g^-1.^oC^-1. A massa m_água é 200 g e a variação de temperatura (T)  é 30 ^oC. A energia necessária nesta segunda etapa pode ser calculada da seguinte forma:

Q₂ = m. c. T
Q₂ = 200 g. 1,0 cal.g^-1.^oC^-1. 30 ^oC
Q₂ = 6000 cal
Q₂ = 6 kcal

Assim, a quantidade de energia (Q) necessária para a transformação pedida é a soma das energias envolvidas em cada processo:

Q = Q₁ + Q₂
Q = 16 kcal +6 kcal
Q = 22 kcal

Alternativa C.

Primeiramente, note que o enunciado nos diz que o estado inicial do corpo é sólido ("esfera sólida"). Com isso, temos que no processo A o corpo em questão vai ganhando calor conforme aumenta a temperatura, até que chega em um ponto que a temperatura é constante mas o calor do corpo continua variando (aumentando), este processo é conhecido como mudança do estado físico. Como ele estava no estado sólido, pelas características do processo, temos que ele sofre a mudança para o estado líquido.

Em seguida, o processo se repete, com o corpo aumentando o calor que recebe conforme a temperatura aumenta, até que chega em um novo ponto, donde a temperatura se estabiliza, mas o corpo continua ganhando calor, é um novo processo de mudança do estado físico. Só que agora, tal mudança é para o vapor, processo também conhecido como vaporização.

Alternativa D)

Pelo Teorema da Conservação da Energia, a soma das trocas de calor realizadas no sistema composto pelo calorímetro, água e metal é nula. O calorímetro é ideal, logo, o sistema não dissipa energia para o meio externo. Equacionando :

 

Q_a + Q_m = 0 (1)

 

Sendo :

Q_a = Quantidade de calor da água

Q_m = Quantidade de calor do metal

 

No gráfico, percebe-se que a temperatura final do sistema (temperatura de equílibrio) se dá em 50ºC. Portanto :

 

Q_a= m_a . c_a . ΔT = 100 . 1 . (50-10) = 4000 cal

Q_m = m_{m .} c_m . ΔT = 1000 . c . (50-70) = -20000c

Substituindo esses valores em (1), obtemos :

 

-20000c + 4000 = 0 -> c=4000/20000 = 0,2 cal/gº C

 

Alternativa A.

Se durante 1 minuto, um adulto inspira em média 8 litros de ar, em 24 h o volume de ar inspirado será de : 8 x 60 x 24 = 11520 litros.

 

Sabendo que a densidade do ar é de 1,2 g/L , podemos calcular a massa de ar do volume de 8 L :

 

                       $\begin{array}{l}d=\frac{m}{V}=1,2=\frac{m}{8}\\ \\ m=9,6 g\end{array}$

Utilizando-se da Quantidade de calor Q para determinar a energia gasta no aquecimento do ar que passa de 20º C para 37º C, obtemos :

 

                  $\begin{array}{l}Q=m.c.\Delta \theta \\ Q=9,6.0,24.(37-20)\\ Q=39,2 cal\end{array}$   (1)  

Essa é a energia gasta em 1 minuto no processo de respiração. A energia gasta em 24 horas, pode ser obtida, pela massa m de 11520 litros substituída na expressão 1, ou pelo produto  :

 

         $\begin{array}{l}{Q}_{\left(24h\right)}=39,2.60.24 =56448 cal\\ =56,4 kcal\end{array}$

Alternativa C.