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Em um calorímetro de capacidade térmica 30 cal/ºC, que contém 1,0 kg de água, ambos a 30 °C, coloca-se 600 g de gelo, inicialmente a –20 °C.

Dados:

Calor especifico da água 1,0 cal/g .°C

Calor especifico do gelo 0,5 cal/g .°C

Calor latente de fusão do gelo 80 cal/g

Desprezando as perdas de calor, após o equilíbrio térmico tem-se que

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Resposta:

A alternativa correta é letra E) a temperatura final de 0 °C, com aproximadamente 1.311,2 g de água líquida.

O calorímetro não sofrerá mudança de fase. O calor que irá perder ocasionará apenas mudança de sua temperatura. Sendo assim, a quantidade de calor por ele cedida será dada por:

 

C times (30 - T_f)

 

Em que C é a capacidade térmica (massa "m" vezes calor específico "c"), e T_F é a temperatura final de equilíbrio.

 

A água inicialmente líquida e o gelo sofrerão mudança de temperatura segundo a fórmula Q = m times c times Delta T e podem sofrer mudança de fase, segundo a fórmula Q = ml, sendo que Delta T é a variação de temperatura e l é o calor latente.

 

Suponha que o calorímetro e a água inicialmente líquida cheguem a 0oC sem qualquer mudança de estado (*). O calor perdido será dado por:

 

80 times (30 - 0) + 1.000 times 1 times (30 - 0)

 

1.080 times 30 = 32.400 cal.

 

Esse calor será cedido ao gelo, sendo uma parcela responsável pelo aumento de sua temperatura até atingir 0 oC:

 

Q = m times c times Delta T

 

Q1 = 600 times 0,5 times (0 - (-20))

 

Q_1 = 6.000 cal.

 

Resta ainda o gelo receber 32.400-6000 = 26.400 cal.

 

(*) Pelo fato do calor cedido ter superado Q_1, concluímos que que a temperatura final de equilíbrio será igual ou superior a 0 oC, pois se ocorresse em temperatura inferior, haveria mais calor cedido, e esse calor deveria ser exatamente igual ao calor recebido pelo gelo para seu aumento de temperatura.

 

A outra parcela do calor cedido será responsável pela mudança de fase do gelo. Considere que uma massa m mude de fase:

 

Q_2 = m times 80

 

Essa quantidade Q_2 corresponde aos 26.400 cal que o gelo receberá.

 

26.400 = 80m

 

m = 330 g.

 

300g de gelo sofrerá fusão. A massa de água líquida será dada pelos 1.000 g de água já inicialmente na fase líquida somada com os 300 g de água líquida oriundos da fusão do gelo.

 

A alternativa correta é a letra E.

 

Gabarito: Letra E.

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