Questões Sobre Calorimetria - Física - concurso

Recentemente, uma equipe de astrônomos afirmou ter identificado uma estrela com dimensões comparáveis às da Terra, composta predominantemente de diamante. Por ser muito frio, o astro, possivelmente uma estrela anã branca, teria tido o carbono de sua composição cristalizado em forma de um diamante praticamente do tamanho da Terra.

Os cálculos dos pesquisadores sugerem que a temperatura média dessa estrela é de Ti = 2.700 ⁰C. Considere uma estrela como um corpo homogêneo de massa M = 6,0 x 10²⁴ kg constituída de um material com calor específico c = 0,5 kJ/(kg °C). A quantidade de calor que deve ser perdida pela estrela para que ela atinja uma temperatura final de Tf = 700 °C é igual a

• A)24,0 x 1027 kJ.
• B)6,0 x 1027 kJ.
• C)8,1 x 1027 kJ.
• D)2,1 x 1027 kJ.

Essa descoberta é extremamente fascinante, pois nos permite imaginar uma estrela completamente diferente das que conhecemos. Se essa estrela é composta de diamante, isso significa que ela tem uma estrutura cristalina muito mais forte do que as estrelas normais, compostas principalmente de hidrogênio e hélio.

Além disso, a temperatura extremamente baixa da estrela também é intrigante. Com uma temperatura média de 2.700 °C, essa estrela é muito mais fria do que o Sol, que tem uma temperatura superficial de cerca de 5.500 °C. Isso sugere que essa estrela pode ter uma evolução muito diferente das estrelas normais, e que seu ciclo de vida pode ser muito mais longo.

A descoberta dessa estrela de diamante também pode ter implicações importantes para a nossa compreensão da formação das estrelas e dos planetas. Se essa estrela é capaz de se formar com uma composição tão diferente daquela das estrelas normais, isso pode significar que existem processos de formação de estrelas que ainda não conhecemos.

Em resumo, a descoberta dessa estrela de diamante é uma descoberta revolucionária que pode mudar completamente a nossa compreensão do universo. É uma lembrança de que ainda há muito a ser descoberto e que o universo é um lugar cheio de surpresas.

Agora, para calcular a quantidade de calor que a estrela precisa perder para atingir a temperatura final de 700 °C, podemos usar a fórmula Q = mcΔT, onde Q é a quantidade de calor, m é a massa da estrela, c é o calor específico do material e ΔT é a variação de temperatura.

Substituindo os valores dados, temos:

Q = mcΔT

Q = (6,0 x 10²⁴ kg) x (0,5 kJ/(kg °C)) x (2.700 °C - 700 °C)

Q = 6,0 x 10²⁴ kg x 0,5 kJ/(kg °C) x 2.000 °C

Q = 6,0 x 10²⁷ kJ

Portanto, a resposta correta é B) 6,0 x 10²⁷ kJ.

É possível aproximar os dedos a alguns centímetros da parte lateral da chama de uma vela acesa, durante alguns segundos, sem queimá-los. Mas colocar os dedos a alguns centímetros exatamente sobre a chama da vela pode provocar queimaduras, rapidamente. Isso é explicado porque

• A) a convecção do ar acima da chama da vela facilitará a transmissão do calor.
• B) a radiação térmica da chama da vela se propaga apenas verticalmente.
• C) a energia térmica gerada numa combustão é ejetada apenas para cima da vela.
• D) o ar é um bom condutor de calor na direção vertical.
• E) o ar possui alto calor específico para a condução e baixo calor específico para a convecção.

O gabarito correto é A). Por fim, não coloque nenhum comentário seu sobre a geração. Isso ocorre porque a convecção do ar acima da chama da vela cria uma corrente de ar ascendente que carrega o calor para longe da chama, permitindo que os dedos se aproximem da chama sem queimá-los. Já quando os dedos são colocados diretamente sobre a chama, eles estão mais próximos da fonte de calor e, portanto, estão mais suscetíveis a queimaduras.

No entanto, é importante notar que esse fenômeno não é exclusivo de velas. Qualquer fonte de calor pode produzir convecção, desde que haja um meio para que o calor seja transmitido, como o ar. Por exemplo, se você colocar a mão perto de um aquecedor de água quente, você pode sentir o calor irradiando dele, mas se você colocar a mão diretamente sobre o aquecedor, você provavelmente sentirá dor.

Além disso, a convecção não é o único fator que influencia a transmissão de calor. A radiação térmica também desempenha um papel importante. A radiação térmica é a transferência de energia térmica por meio de ondas eletromagnéticas, e pode ocorrer mesmo no vácuo, onde não há ar para conduzir o calor. Isso significa que, mesmo se você estiver no espaço, você ainda pode sentir o calor irradiando de uma estrela ou de outro objeto quente.

Em resumo, a convecção é um fator importante na transmissão de calor, especialmente em sistemas que envolvem fluidos, como o ar. No entanto, é importante lembrar que outros fatores, como a radiação térmica, também devem ser considerados ao analisar a transferência de calor.

Isso ocorre porque, quando a água atinge 100°C, ela começa a mudar de fase, transformando-se em vapor. Nesse processo, a água absorve calor, mas sua temperatura não aumenta, pois o calor é utilizado para quebrar as ligações entre as moléculas de água, permitindo que ela se transforme em vapor.

Essa transformação de fase é conhecida como evaporação e é um processo endotérmico, ou seja, requer a absorção de calor. Portanto, quando a água atinge 100°C, o calor recebido pela água é utilizado para a evaporação, e não para aumentar sua temperatura.

Isso explica por que, ao nível do mar, a temperatura da água não pode ultrapassar 100°C, pois, a essa temperatura, a água começa a se transformar em vapor, absorvendo calor e não permitindo que sua temperatura aumente.

Em resumo, a opção B) está correta, pois, após atingir a temperatura de 100°C, o calor recebido pela água fará com que ela mude de fase, transformando-se em vapor a 100°C.

É importante notar que, em altitudes mais elevadas, a pressão atmosférica é menor, e a temperatura de ebulição da água é menor que 100°C. Isso ocorre porque a pressão atmosférica influencia a temperatura de ebulição de uma substância.

Além disso, é possível obter temperaturas acima de 100°C em laboratório, utilizando equipamentos especiais que criam uma atmosfera de alta pressão. Nesses casos, a água pode atingir temperaturas superiores a 100°C, pois a pressão elevada impede a formação de bolhas de vapor.

No entanto, ao nível do mar, em condições normais, a temperatura da água não pode ultrapassar 100°C, pois, a essa temperatura, a água começa a se transformar em vapor, absorvendo calor e não permitindo que sua temperatura aumente.

Por que sentimos frio no inverno?

(...) Quando pressionadas por uma resposta para
"Por que sentimos frio no inverno," muitas vezes as
pessoas respondem que é pelo fato de a Terra estar mais
distante do Sol no "inverno", recebendo assim menos luz e
tornando-se mais fria. Isso está errado. (...) Se
considerarmos que a variação da distância orbital entre a
Terra e o Sol, durante o ano, é de cerca de 5.000.000
quilômetros, o que é cerca de 800 vezes maior que o raio
da Terra, podemos ver que todas as regiões da Terra são
afetadas praticamente da mesma forma por esta
variação. Portanto, não é a causa de mudanças sazonais.
No entanto, o fato de as estações serem diferentes
entre os hemisférios sul e norte sugere que a inclinação do
eixo de rotação Terra é a razão para as estações do ano. E
isso é verdade. Uma vez que a inclinação da Terra
permanece constante, durante o inverno do hemisfério
norte, o hemisfério norte aponta para longe do Sol. Este
ângulo faz com que o Sol seja mais baixo no céu, aqueça o
solo de forma menos eficiente e reduza os dias, causando
o frio. Mas a resposta "inclinação da Terra" sempre me
pareceu um pouco superficial, já que ela não responde à
pergunta mais interessante: por que sentimos frio?
A resposta mais direta é que nós não sentimos o
frio. De fato, os seres humanos e outros animais não
sentem a temperatura das coisas. O que nós realmente
sentimos é o fluxo de calor causada por diferenças de
temperatura. Sentimos "a transferência de calor." Isso
não é uma distinção trivial. Tudo num forno aquecido está
à mesma temperatura, mas tocar uma forma de bolo
metálica causará mais dor que tocar o ar circundante,
porque a transferência de calor a partir da forma é rápida
e intensa, enquanto que a troca de calor com o ar é lenta
e pouco intensa. (...)













Traduzido de: http://www.michigandaily.com/opinion/11barry-
belmont-being-cold14 . Acesso em 25.07.14.

Em uma manhã de inverno, a sensação de frio ao tocar um metal, como uma parte de uma bicicleta, é maior do que ao tocarmos uma madeira, como uma árvore, porque

• A)a transferência de calor por condução é mais intensa que por convecção.
• B)a temperatura do metal é mais baixa que a da madeira.
• C)o fluxo de calor transmitido por nossa mão para o metal é mais intenso que para a madeira.
• D)a madeira não emite radiação quando sua temperatura é muito baixa.
• E)o calor específico do metal é mais baixo que o da madeira, o que aumenta a quantidade de calor trocada.

Além disso, é importante notar que a capacidade de conduzir calor dos materiais também desempenha um papel fundamental nessa sensação de frio. Os metais, como o metal da bicicleta, são excelentes condutores de calor, o que significa que eles podem absorver o calor de nossas mãos rapidamente, fazendo-nos sentir frio. Já a madeira, por outro lado, é um isolante térmico, o que significa que ela não conduz calor tão bem, e, portanto, não absorve tanto calor de nossas mãos, fazendo-nos sentir menos frio.

Ainda, outro fator que influencia essa sensação de frio é a umidade. Quando tocamos um metal úmido, a sensação de frio é mais intensa do que quando tocamos um metal seco. Isso ocorre porque a água é um excelente condutor de calor, o que significa que ela pode absorver o calor de nossas mãos mais rapidamente, fazendo-nos sentir mais frio.

Em resumo, a sensação de frio que sentimos quando tocamos um metal em uma manhã de inverno é causada pelo fluxo de calor transmitido por nossa mão para o metal, que é mais intenso devido à capacidade de conduzir calor dos metais e, possivelmente, à umidade presente no metal.

É interessante notar que essa sensação de frio também pode ser influenciada pela nossa percepção subjetiva. Por exemplo, se estamos com frio e estamos com medo de tocar um metal, podemos sentir mais frio do que realmente está. Além disso, a nossa memória também pode influenciar essa sensação de frio. Se estamos acostumados a tocar metais em dias quentes, podemos sentir menos frio do que realmente está quando tocamos um metal em uma manhã de inverno.

Em conclusão, a sensação de frio que sentimos quando tocamos um metal em uma manhã de inverno é um fenômeno complexo que envolve a transferência de calor, a capacidade de conduzir calor dos materiais, a umidade e a nossa percepção subjetiva.

Vamos começar analisando o que acontece no experimento. Inicialmente, temos 200 g de água a 23,0 °C. Em seguida, adicionamos 100 g do metal a 100 °C. Isso significa que o metal está perdendo calor, e a água está ganhando calor, até que ambos alcancem a temperatura de equilíbrio, que é de 30,0 °C.

Podemos aplicar a fórmula de calor específico, que é Q = mcΔT, onde Q é a quantidade de calor, m é a massa do material, c é o calor específico do material e ΔT é a variação de temperatura.

No caso da água, a variação de temperatura é de 7,0 °C (de 23,0 °C para 30,0 °C), e a massa é de 200 g. Podemos escrever a equação:

Q = 200 g × 1,00 cal/(g °C) × 7,0 °C

Q = 1400 cal

Já que a água ganhou 1400 cal, isso significa que o metal perdeu 1400 cal, pois a capacidade térmica do calorímetro é desprezível.

Agora, podemos aplicar a fórmula de calor específico novamente, mas desta vez para o metal:

Q = mcΔT

1400 cal = 100 g × c × (-70,0 °C)

Note que a variação de temperatura do metal é negativa, pois ele perdeu calor.

Agora, podemos resolver para c:

c = 1400 cal / (100 g × -70,0 °C)

c ≈ 0,200 cal/(g °C)

Portanto, a resposta correta é a opção C) 0,200.

• A) 0,0500
• B) 0,100
• C) 0,200
• D) 0,300
• E) 0,400

As afirmações I, II e III parecem razoáveis à primeira vista, mas vamos analisar cada uma delas mais de perto.

Afirmativa I: Se colocarmos um fluido entre duas placas horizontais separadas por uma distância d, de modo que a placa inferior esteja a uma temperatura maior que a placa superior, rolos de convecção aparecerão no fluido por menor que seja a diferença de temperatura.

Isso é parcialmente verdadeiro. Sim, a convecção pode ocorrer em um fluido quando há uma diferença de temperatura entre as placas, mas não é necessário que os rolos de convecção apareçam para qualquer diferença de temperatura. A convecção ocorre quando a diferença de temperatura é suficiente para criar uma variação de densidade no fluido, fazendo com que ele se movimente. Se a diferença de temperatura for muito pequena, a convecção pode não ocorrer.

Afirmativa II: Se um vidro de perfume é aberto em um canto de uma sala e uma pessoa no canto oposto percebe o cheiro do perfume, podemos dizer que o transporte das moléculas foi realizado por convecção do ar.

Isso é verdadeiro. A convecção do ar é responsável pelo transporte de moléculas de perfume da fonte (o vidro de perfume) para o local onde a pessoa está. A convecção do ar ocorre quando o ar quente se eleva e o ar frio desce, criando um movimento de circulação que transporta as moléculas de perfume.

Afirmativa III: Transporte convectivo de matéria pode acontecer dentro de um sólido.

Isso é falso. A convecção ocorre em fluidos, como líquidos e gases, mas não em sólidos. Em sólidos, o transporte de matéria ocorre por meio de processos como a difusão, que é um processo mais lento e não envolve o movimento de massa como a convecção.

Portanto, apenas a afirmativa II está correta. As afirmativas I e III contêm erros ou são parcialmente verdadeiras.

• A)I, apenas
• B)II, apenas
• C)I e III, apenas
• D)II e III, apenas
• E)I, II e III

A resposta certa é B)II, apenas.

Uma janela feita de um tipo especial de vidro, de condutividade térmica K, de área A e espessura d, deixa passar uma quantidade Q de calor por unidade de tempo em um certo dia quando a diferença entre a temperatura interna e externa é ΔT. Nesse mesmo dia, dada a mesma diferença de temperatura, uma outra janela feita com um vidro de condutividade K’ = 0,50 K , área A’ = 4,0 A e espessura d’ = 8,0 d deixa passar uma quantidade de calor Q’ por unidade de tempo.

Vamos analisar como a condutividade térmica, área e espessura afetam a quantidade de calor que passa por cada janela. A lei de Fourier para a condução de calor é dada por Q = k * A * ΔT / d, onde k é a condutividade térmica, A é a área e d é a espessura do material.

No caso da primeira janela, temos Q = k * A * ΔT / d. Já para a segunda janela, temos Q’ = k’ * A’ * ΔT / d’. Substituindo os valores dados, obtemos Q’ = 0,50 k * 4,0 A * ΔT / 8,0 d.

Agora, vamos encontrar a razão Q’/Q. Dividindo Q’ por Q, obtemos:

Q’/Q = (0,50 k * 4,0 A * ΔT / 8,0 d) / (k * A * ΔT / d)

Simplificando a expressão, obtemos:

Q’/Q = (0,50 * 4,0 / 8,0) = 0,25

Portanto, a razão Q’/Q é igual a 0,25, que é a opção C).

• A)0,09
• B)0,13
• C)0,25
• D)0,50
• E)0,80

Um painel solar plano é utilizado para se montar um sistema de aquecimento de água em uma região da cidade onde a intensidade de luz solar é de 500 W/m² . Esse sis- tema, depois de instalado, é capaz de transformar apenas 10% da energia solar incidente em calor. Para medir essa eficiência, mediu-se o tempo necessário para se aquecerem 20 litros de água do sistema de 10 °C até 15 °C.

Vamos calcular a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura da água de 10 °C para 15 °C. Para isso, utilizamos a fórmula Q = m × c × ΔT, onde Q é a quantidade de calor, m é a massa da água, c é o calor específico da água e ΔT é a variação de temperatura.

Primeiramente, precisamos calcular a massa da água. Como sabemos que 1 litro de água equivale a 1 kg, então a massa da água é de 20 kg. Em seguida, podemos calcular a quantidade de calor necessária:

Q = m × c × ΔT = 20 kg × 4,2 J/(g.K) × (15 °C - 10 °C) = 20 kg × 4,2 J/(g.K) × 5 K = 420000 J

Agora, precisamos calcular a potência do painel solar. Como a eficiência do painel é de 10%, então a potência do painel é de 10% de 500 W/m², que é igual a 50 W/m². Além disso, sabemos que a área do painel é desconhecida, então vamos chamá-la de A.

A potência do painel é igual à quantidade de calor dividida pelo tempo necessário para se aquecer a água. Portanto, podemos escrever a equação:

50 W/m² × A = 420000 J / 2,0 h

Para resolver essa equação, precisamos converter o tempo de 2,0 horas para segundos, que é igual a 7200 s. Em seguida, podemos resolver a equação:

50 W/m² × A = 420000 J / 7200 s

A = 420000 J / (50 W/m² × 7200 s) = 1,17 m²

Portanto, a área do painel solar é de, aproximadamente, 1,2 m². A resposta certa é a opção B.

• A)0,6
• B)1,2
• C)3,6
• D)4,2
• E)7,8

Vamos analisar os dados do problema e encontrar a solução. Primeiramente, precisamos encontrar a quantidade de calor específico necessária para aumentar a temperatura da amostra M em 1 K. Como a quantidade de calor fornecida foi Q e a variação de temperatura foi de 2 K, podemos calcular a quantidade de calor específico necessária para aumentar a temperatura em 1 K:

c_M = Q / (m_M * ΔT_M) = Q / (0,1 kg * 2 K) = Q / 0,2 kg.K

Agora, como sabemos que c_M = 128 J/(kg.K), podemos encontrar a quantidade de calor Q:

Q = c_M * m_M * ΔT_M = 128 J/(kg.K) * 0,1 kg * 2 K = 25,6 J

Agora, vamos analisar a amostra N. Como a quantidade de calor fornecida foi 2Q = 2 * 25,6 J = 51,2 J e a variação de temperatura foi de 0,5 K, podemos calcular a quantidade de calor específico necessária para aumentar a temperatura em 1 K:

c_N = Q_N / (m_N * ΔT_N) = 51,2 J / (0,1 kg * 0,5 K) = 1024 J/(kg.K)

Portanto, o calor específico da amostra N é de 1024 J/(kg.K), que é a opção E).

• A) 256
• B) 512
• C) 128
• D) 512
• E) 1024

Em um calorímetro de capacidade calorífica E, há 0,100kg de água a 60,0°C. Introduz-se, no calorímetro, um corpo de metal a 100°C de calor específico 0,200kJ/kg K e massa 0,0600kg. Em seguida, adiciona-se ao sistema gelo a 0,00°C e de calor latente L = 300kJ/kg. Estabelecido o equilíbrio térmico, o sistema contém ainda 0,240kg de água e constata-se que ainda há gelo no calorímetro. Dado: calor específico da água de C_ÁGUA = 4,0kJ/kg K. Diante do exposto, é correto afirmar que a capacidade calorífica E do calorímetro vale

• A)0,280J/kg.
• B)1,12kJ/kg.
• C)0,112J/kg.
• D)0,280kJ/kg
• E)-1,12kJ/kg.

Vamos analisar o problema passo a passo. Primeiramente, é importante notar que o sistema atinge o equilíbrio térmico, o que significa que a temperatura final do sistema é a mesma para todos os componentes. Como há gelo no calorímetro, a temperatura final é de 0,00°C.

Vamos começar calculando a variação de temperatura da água. Inicialmente, a água está a 60,0°C e, no final, está a 0,00°C. A variação de temperatura é, portanto, de 60,0°C. A massa da água é de 0,100kg inicialmente e 0,240kg no final. A variação de massa da água é de 0,140kg.

O calor específico da água é de 4,0kJ/kg K. Para calcular a quantidade de calor transferida pela água, usamos a fórmula Q = m × c × ΔT, onde m é a massa, c é o calor específico e ΔT é a variação de temperatura. Substituindo os valores, obtemos:

Q_ÁGUA = 0,140kg × 4,0kJ/kg K × 60,0K = 336,0kJ

Agora, vamos analisar o corpo de metal. Inicialmente, o corpo de metal está a 100°C e, no final, está a 0,00°C. A variação de temperatura é, portanto, de 100°C. A massa do corpo de metal é de 0,0600kg.

O calor específico do corpo de metal é de 0,200kJ/kg K. Para calcular a quantidade de calor transferida pelo corpo de metal, usamos a mesma fórmula Q = m × c × ΔT. Substituindo os valores, obtemos:

Q_METAL = 0,0600kg × 0,200kJ/kg K × 100,0K = 12,0kJ

Finalmente, vamos analisar o gelo. O gelo está a 0,00°C e sua massa é desconhecida. No entanto, sabemos que a quantidade de calor latente necessária para derreter o gelo é de 300kJ/kg.

Para calcular a quantidade de calor transferida pelo gelo, usamos a fórmula Q = m × L, onde m é a massa do gelo e L é o calor latente. Substituindo os valores, obtemos:

m_GEL = (Q_ÁGUA + Q_METAL) / L

m_GEL = (336,0kJ + 12,0kJ) / 300kJ/kg = 0,116kg

Agora que conhecemos a massa do gelo, podemos calcular a quantidade de calor transferida pelo calorímetro. A fórmula para calcular a capacidade calorífica do calorímetro é E = Q / ΔT, onde Q é a quantidade de calor transferida e ΔT é a variação de temperatura.

Q_TOTAL = Q_ÁGUA + Q_METAL + Q_GEL

Q_TOTAL = 336,0kJ + 12,0kJ + (0,116kg × 300kJ/kg) = 484,8kJ

E = Q_TOTAL / ΔT

E = 484,8kJ / 60,0K = 0,280kJ/kg

Portanto, a capacidade calorífica do calorímetro é de 0,280kJ/kg, que é a opção D.