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Em meados do século XVIII o conceito de calor especifico e de calor latente não estavam ainda formulados, tarefa que foi resolvida entre 1761 e 1772 com trabalhos dos físicos Joseph Black e Johan Carl Wilcke. Por volta de 1749 predominava a expectativa de que a temperatura de equilíbrio térmico sempre estaria na proporção das massas ou dos volumes das substâncias, sem menção à essa característica intrínseca dos materiais. “Conforme demonstrou o químico escocês Joseph Black (1728 – 1799) em uma de suas célebres experiências (…) em 1757, ao misturar água a 78ºC com a mesma quantidade de gelo a 0ºC, observou que o gelo se fundiu todo mantendo-se, no entanto, em 0ºC.” “A crônica do Calor: Calorimetria”, J.M.F. Bassalo, Revista Brasileira do Ensino de Física, Vol. 14 (1), 1992, p. 29. Em experimentos de calorimetria são comuns desvios sensíveis entre valores observados e calculados com modelos ideais. Considerando o experimento de Black narrado por Bassalo segundo o modelo ideal em que há apenas trocas de calor entre a água, calor específico de 1 cal/gºC, e o gelo, calor latente de fusão de 80 cal/g, assinale a alternativa que representaria a expectativa teórica ideal.

Em meados do século XVIII o conceito de calor especifico
e de calor latente não estavam ainda formulados, tarefa
que foi resolvida entre 1761 e 1772 com trabalhos dos
físicos Joseph Black e Johan Carl Wilcke. Por volta de
1749 predominava a expectativa de que a temperatura
de equilíbrio térmico sempre estaria na proporção das
massas ou dos volumes das substâncias, sem menção
à essa característica intrínseca dos materiais.
“Conforme demonstrou o químico escocês Joseph Black
(1728 – 1799) em uma de suas célebres experiências
(…) em 1757, ao misturar água a 78ºC com a mesma
quantidade de gelo a 0ºC, observou que o gelo se fundiu
todo mantendo-se, no entanto, em 0ºC.”
“A crônica do Calor: Calorimetria”, J.M.F. Bassalo, Revista
Brasileira do Ensino de Física, Vol. 14 (1), 1992, p. 29.
Em experimentos de calorimetria são comuns desvios
sensíveis entre valores observados e calculados com
modelos ideais. Considerando o experimento de Black
narrado por Bassalo segundo o modelo ideal em que
há apenas trocas de calor entre a água, calor específico
de 1 cal/gºC, e o gelo, calor latente de fusão de 80 cal/g,
assinale a alternativa que representaria a expectativa
teórica ideal.

Resposta:

A alternativa correta é B)

Para resolver esse problema, precisamos aplicar as fórmulas de calorimetria. Vamos considerar que a quantidade de água e gelo é a mesma, 1 g. A temperatura inicial da água é de 78°C e a do gelo é de 0°C. A temperatura de equilíbrio térmico pode ser calculada pela fórmula:
m1c1(T1 - Tf) = m2Lf
onde m1 é a massa da água, c1 é o calor específico da água (1 cal/g°C), T1 é a temperatura inicial da água (78°C), Tf é a temperatura de equilíbrio térmico, m2 é a massa do gelo (1 g) e Lf é o calor latente de fusão do gelo (80 cal/g).
Substituindo os valores, temos:
1 g × 1 cal/g°C × (78°C - Tf) = 1 g × 80 cal/g
Isolando Tf, obtemos:
Tf = 0°C
Portanto, a temperatura de equilíbrio térmico é de 0°C. Agora, precisamos calcular a quantidade de gelo que permanece após o equilíbrio térmico. Sabemos que a quantidade de calor liberada pela água é igual à quantidade de calor absorvida pelo gelo. Logo, a quantidade de gelo que se funde é:
Δm = Q / Lf
onde Q é a quantidade de calor liberada pela água. Substituindo os valores, temos:
Q = m1c1(T1 - Tf) = 1 g × 1 cal/g°C × (78°C - 0°C) = 78 cal
Δm = Q / Lf = 78 cal / 80 cal/g = 0,975 g
Portanto, a quantidade de gelo que permanece após o equilíbrio térmico é de 0,025 g, que é equivalente a 2,5% da massa inicial de gelo.
Assim, a alternativa correta é B) No equilíbrio térmico ainda haveria 2,5% da massa inicial de gelo.
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