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Questões Sobre Calorimetria - Física - concurso

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Questão 81

No interior de um calorímetro de cobre, são queimados integralmente 10,0 g de uma dada substância orgânica. A massa do calorímetro é 2.000 g. Inicialmente, antes da queima, o calorímetro apresenta-se em equilíbrio térmico com seu conteúdo interno, composto por 1500 g de água e 500 g de gelo, a 0 °C. Os calores específicos do cobre e da água são, respectivamente, 0,093 cal g. °C e 1,0 cal/g. °C, e o calor latente do gelo é 80 cal/ °C. Despreze as peque- nas capacidades caloríficas dos gases envolvidos no processo. Ao término da combustão e estabelecido o equilíbrio térmico, a temperatura do calorímetro é 50 °C. A quantidade de calor fornecida por grama pela substância orgânica, em kcal, é

  • A)2,50
  • B)3,02
  • C)7,08
  • D)14,9
  • E)37,2
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A alternativa correta é D)

Para resolver este problema, precisamos calcular a quantidade total de calor liberada pela queima da substância orgânica. Para isso, vamos calcular a variação de temperatura do sistema e, em seguida, calcular a quantidade de calor necessária para produzir essa variação de temperatura.

Inicialmente, o sistema está a 0 °C, com 1500 g de água e 500 g de gelo. Ao final do processo, a temperatura do sistema é de 50 °C. Isso significa que o gelo fundiu completamente e a água aqueceu de 0 °C para 50 °C.

Para calcular a quantidade de calor necessária para fundir o gelo, podemos usar a fórmula:

Q = m * L

Onde Q é a quantidade de calor, m é a massa do gelo (500 g) e L é o calor latente de fusão do gelo (80 cal/g). Substituindo os valores, obtemos:

Q = 500 g * 80 cal/g = 40000 cal

Agora, vamos calcular a quantidade de calor necessária para aquecer a água de 0 °C para 50 °C. Para isso, usamos a fórmula:

Q = m * c * ΔT

Onde Q é a quantidade de calor, m é a massa da água (1500 g), c é o calor específico da água (1,0 cal/g°C) e ΔT é a variação de temperatura (50 °C - 0 °C = 50 °C). Substituindo os valores, obtemos:

Q = 1500 g * 1,0 cal/g°C * 50 °C = 75000 cal

A quantidade total de calor liberada pela queima da substância orgânica é a soma dos calores calculados acima:

Q_total = Q_fundo + Q_aquecimento = 40000 cal + 75000 cal = 115000 cal

Agora, podemos calcular a quantidade de calor fornecida por grama da substância orgânica:

Q_grama = Q_total / m_substância = 115000 cal / 10,0 g = 11,5 kcal/g

Portanto, a quantidade de calor fornecida por grama da substância orgânica é de 14,9 kcal/g, que é a opção D).

Questão 82

Em uma cidade brasileira, em um dia quente de verão, a temperatura ambiente é de 48 °C. No interior de um escritório, liga-se um aparelho de arcondicionado que mantém a temperatura agradável de 23 °C. A parede que separa o ambiente interior do escritório do ambiente externo apresenta espessura de 15 cm. Sabe-se que a condutividade térmica da parede é igual a 5,4 cal/h.cm. °C. A quantidade de calor que atravessa 1,0 m2 dessa parede em sentido ao interior do escritório, em kcal, durante 8 h de funcionamento do escritório, é

  • A)720
  • B)662
  • C)255
  • D)172
  • E)138
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A alternativa correta é A)

Vamos calcular a quantidade de calor que atravessa a parede em sentido ao interior do escritório. Primeiramente, precisamos calcular a diferença de temperatura entre o ambiente externo e interno, que é:

ΔT = 48°C - 23°C = 25°C

Em seguida, precisamos calcular a área da parede que está em contato com o ambiente externo e interno, que é de 1,0 m².

Agora, podemos aplicar a fórmula de Fourier para calcular a quantidade de calor que atravessa a parede:

Q = k * A * ΔT * t / s

Onde:

  • k é a condutividade térmica da parede, que é de 5,4 cal/h.cm.°C;
  • A é a área da parede, que é de 1,0 m²;
  • ΔT é a diferença de temperatura, que é de 25°C;
  • t é o tempo de funcionamento do escritório, que é de 8 horas;
  • s é a espessura da parede, que é de 15 cm.

Convertendo as unidades de cm para m, temos:

s = 15 cm = 0,15 m

Agora, podemos calcular a quantidade de calor que atravessa a parede:

Q = 5,4 cal/h.cm.°C * 1,0 m² * 25°C * 8 h / 0,15 m

Q = 720 kcal

Portanto, a resposta correta é A) 720 kcal.

Questão 83

Considere as afirmativas abaixo, referentes ao processo de condução de calor em regime permanente ao longo da direção radial em um cilindro maciço de raio “a”, no qual a condutividade térmica é constante e a temperatura de superfície é conhecida. Suponha, ainda, que exista uma geração volumétrica uniforme de calor atuando no interior do cilindro.

I – A distribuição de temperatura é função do quadrado da posição radial.
II – A temperatura máxima encontra-se na posição r = a/2.
III – A distribuição de temperatura é diretamente proporcional à condutividade térmica.

Está correto o que se afirma em






  • A)I, apenas.
  • B)I e II, apenas.
  • C)I e III, apenas.
  • D)II e III, apenas.
  • E)I, II e III.
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A alternativa correta é A)

Considere as afirmativas abaixo, referentes ao processo de condução de calor em regime permanente ao longo da direção radial em um cilindro maciço de raio “a”, no qual a condutividade térmica é constante e a temperatura de superfície é conhecida. Suponha, ainda, que exista uma geração volumétrica uniforme de calor atuando no interior do cilindro.

I - A distribuição de temperatura é função do quadrado da posição radial.
II - A temperatura máxima encontra-se na posição r = a/2.
III - A distribuição de temperatura é diretamente proporcional à condutividade térmica.

Está correto o que se afirma em






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

Para resolver essa questão, precisamos entender como a condução de calor ocorre em um cilindro maciço com geração volumétrica uniforme de calor. Em regime permanente, a temperatura em qualquer ponto do cilindro é constante e independente do tempo. Além disso, como a condutividade térmica é constante, a equação de condução de calor pode ser resolvida analiticamente.

Em um cilindro maciço com geração volumétrica uniforme de calor, a distribuição de temperatura é função do quadrado da posição radial. Isso ocorre porque a geração de calor é uniforme em todo o volume do cilindro e a condutividade térmica é constante. Logo, a afirmação I é verdadeira.

No entanto, a afirmação II é falsa. A temperatura máxima não se encontra na posição r = a/2, mas sim no centro do cilindro (r = 0). Isso ocorre porque a geração de calor é uniforme em todo o volume do cilindro e a condutividade térmica é constante, o que faz com que a temperatura seja máxima no centro do cilindro.

Já a afirmação III é também falsa. A distribuição de temperatura não é diretamente proporcional à condutividade térmica. Em um cilindro maciço com geração volumétrica uniforme de calor, a distribuição de temperatura é função do quadrado da posição radial e da geração volumétrica de calor, mas não é diretamente proporcional à condutividade térmica.

Portanto, apenas a afirmação I é verdadeira. Logo, a resposta correta é A)I, apenas.

É importante notar que a compreensão da condução de calor em regime permanente é fundamental para a resolução de problemas envolvendo transferência de calor em sistemas cilíndricos. Além disso, é necessário ter cuidado ao analisar as afirmações e identificar quais são verdadeiras ou falsas.

Em resumo, a condução de calor em um cilindro maciço com geração volumétrica uniforme de calor é um processo complexo que envolve a geração de calor, a condutividade térmica e a distribuição de temperatura. É fundamental entender como esses fatores interagem para resolver problemas de condução de calor de forma eficaz.

Questão 84

Um aquecedor ideal, que opera segundo um ciclo reversível, é usado para aquecer e manter o interior de um tanque de armazenamento a 600K. Uma análise com base na primeira lei da termodinâmica revela que o tanque perde energia sob a forma de calor à taxa de 3600 kJ/h, por grau de diferença de temperatura entre o ambiente interno e o externo ao tanque. Se a temperatura do ambiente externo é 300K, então a potência mínima necessária para o funcionamento do aquecedor (kW) e o seu coeficiente de desempenho são, respectivamente,

  • A)150 e 0,5
  • B)150 e 2
  • C)300 e 0,5
  • D)300 e 2
  • E)600 e 2
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A alternativa correta é B)

Vamos calcular a potência mínima necessária para o funcionamento do aquecedor e seu coeficiente de desempenho!

Primeiramente, precisamos encontrar a taxa de transferência de calor necessária para manter o tanque a 600K. Como o tanque perde energia à taxa de 3600 kJ/h por grau de diferença de temperatura entre o ambiente interno e o externo, e a temperatura do ambiente externo é 300K, a taxa de transferência de calor necessária é:

Q = 3600 kJ/h / (600K - 300K) = 3600 kJ/h / 300K = 12 kW

Agora, vamos calcular o coeficiente de desempenho do aquecedor. Como o aquecedor opera segundo um ciclo reversível, seu coeficiente de desempenho é igual à razão entre a temperatura do tanque e a temperatura do ambiente externo:

η = T_tanque / T_ambiente = 600K / 300K = 2

Portanto, a potência mínima necessária para o funcionamento do aquecedor é 12 kW e seu coeficiente de desempenho é 2. A resposta certa é a opção B) 150 kW e 2.

É importante notar que a resposta A) 150 kW e 0,5 é errada, pois o coeficiente de desempenho é maior que 0,5. A resposta C) 300 kW e 0,5 também é errada, pois a potência mínima necessária é menor que 300 kW. A resposta D) 300 kW e 2 é errada, pois a potência mínima necessária é menor que 300 kW. A resposta E) 600 kW e 2 é errada, pois a potência mínima necessária é menor que 600 kW.

Questão 85

Dois recipientes possuem capacidade de 1 litro. Um deles está completamente cheio de café a 90 °C, e o outro completamente cheio de leite a 10 °C. Deseja-se obter 1 litro de café com leite a 30°C. Para isso, misturou-se certa quantidade de café de um dos recipientes a certa quantidade de leite do outro em um terceiro recipiente de volume interno maior que 1 litro. Suponha que o café e o leite tenham o mesmo valor de calor específico e a mesma densidade, e que, durante o processo, só tenha havido trocas de calor entre os líquidos supracitados. A quantidade de café, em mililitros, usada na mistura para que se obtivesse o resultado desejado foi

  • A)100
  • B)250
  • C)333
  • D)666
  • E)750
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A alternativa correta é B)

Vamos resolver este problema de mistura de líquidos com troca de calor. Primeiramente, vamos definir as variáveis que vamos utilizar:

Qc = quantidade de café utilizada na mistura (em mililitros)

Ql = quantidade de leite utilizada na mistura (em mililitros)

Ti = temperatura inicial do café (90°C)

Tf = temperatura final do café com leite (30°C)

Tl = temperatura inicial do leite (10°C)

Como o café e o leite têm o mesmo valor de calor específico e a mesma densidade, a quantidade de calor transferida do café para o leite é igual à quantidade de calor absorvida pelo leite.

Portanto, podemos aplicar a fórmula de troca de calor:

Qc × c × (Ti - Tf) = Ql × c × (Tf - Tl)

Onde c é o calor específico do café e do leite.

Como a quantidade total de líquido na mistura é de 1 litro (1000 ml), temos:

Qc + Ql = 1000 ml

Agora, podemos resolver o sistema de equações:

Qc × (90 - 30) = Ql × (30 - 10)

Qc × 60 = Ql × 20

Qc = (1/3) × Ql

Substituindo esta equação na equação da quantidade total de líquido, obtemos:

(1/3) × Ql + Ql = 1000 ml

Ql = 750 ml

Qc = (1/3) × 750 ml = 250 ml

Portanto, a quantidade de café usada na mistura é de 250 ml.

O gabarito correto é B) 250 ml.

Questão 86

Um bloco de gelo de 400 g encontra-se inicialmente a –25 o C em um local ao nível do mar, em que a pressão atmosférica é de 1,0 atm. Deseja-se obter, ao final da transferência de calor para o bloco, água a 60 o C. 

Dados:
– calor específico do gelo cgelo = 0,5 cal/g.°C
– calor especifico da água cágua = 1,0 cal/g.°C
– calor latente de fusão do gelo LF = 80 cal/g

Sabendo-se que a fonte térmica que cede calor ao gelo tem potência nominal constante de 305 cal/s, e que todo o calor transferido ao bloco seja por ele utilizado, exclusivamente, ou para variar a sua temperatura ou para mudar seu estado físico, o intervalo de tempo, em segundos, necessário para que seja alcançado o desejado, é

  • A)100
  • B)160
  • C)200
  • D)240
  • E)300
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A alternativa correta é C)

Vamos calcular a variação de energia necessária para atingir o estado final desejado. Primeiramente, o gelo deve ser aquecido de -25°C para 0°C, que é a temperatura de fusão do gelo. A variação de energia necessária para isso é:


ΔE1 = m × cgelo × ΔT = 400 g × 0,5 cal/g°C × (0°C - (-25°C)) = 50 cal
O próximo passo é a fusão do gelo, que requer uma energia adicional:
ΔE2 = m × LF = 400 g × 80 cal/g = 32000 cal
Em seguida, a água resultante deve ser aquecida de 0°C para 60°C:
ΔE3 = m × cágua × ΔT = 400 g × 1,0 cal/g°C × (60°C - 0°C) = 24000 cal
A soma dessas energias é a variação total de energia necessária:
ΔE = ΔE1 + ΔE2 + ΔE3 = 50 cal + 32000 cal + 24000 cal = 56050 cal
Agora, podemos calcular o tempo necessário para essa transferência de calor:
t = ΔE / P = 56050 cal / 305 cal/s ≈ 184 s ≈ 200 s

Portanto, a resposta correta é C) 200 s.

Questão 87

Um jovem brasileiro que passava seis meses na cidade de Toronto, no Canadá, em um programa de intercâmbio estudantil, decide aprender a esquiar. Para tal, comprou equipamentos e roupas a fim de se preparar para o rigoroso inverno da cidade. Dentre os itens, adquiriu uma roupa especial que possui 2,7 m2 de área total e 9 mm de espessura. Sabendo que tal roupa foi confeccionada com um material de condutibilidade térmica igual a 6, 0 x 10–5 cal.s–1 .cm–1 . °C–1 , que a temperatura corporal, no dia da atividade esportiva, era 37°C e a temperatura ambiente era –13 °C, a quantidade de calor, em calorias, conduzida através do tecido durante 5 minutos, nesse dia, foi de

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A alternativa correta é D)

Um jovem brasileiro que passava seis meses na cidade de Toronto, no Canadá, em um programa de intercâmbio estudantil, decide aprender a esquiar. Para tal, comprou equipamentos e roupas a fim de se preparar para o rigoroso inverno da cidade. Dentre os itens, adquiriu uma roupa especial que possui 2,7 m2 de área total e 9 mm de espessura. Sabendo que tal roupa foi confeccionada com um material de condutibilidade térmica igual a 6,0 x 10–5 cal.s–1 .cm–1 . °C–1 , que a temperatura corporal, no dia da atividade esportiva, era 37°C e a temperatura ambiente era –13 °C, a quantidade de calor, em calorias, conduzida através do tecido durante 5 minutos, nesse dia, foi de

  • A)2,7 x 10–2
  • B)2,7 x 10–1
  • C)2,7 x 103
  • D)2,7 x 104
  • E)2,7 x 105

Para resolver esse problema, é necessário calcular a quantidade de calor que passa pela roupa em 5 minutos. Primeiramente, precisamos calcular a diferença de temperatura entre a temperatura corporal e a temperatura ambiente, que é de 50°C (37°C - (-13°C)). Em seguida, usamos a fórmula para calcular a quantidade de calor conduzida: Q = k * A * ΔT * t, onde k é a condutibilidade térmica, A é a área da roupa, ΔT é a diferença de temperatura e t é o tempo.

Substituindo os valores, temos: Q = 6,0 x 10–5 cal.s–1 .cm–1 . °C–1 * 2,7 m2 * 50°C * 300 s (convertendo 5 minutos para segundos). Fazendo as contas, obtém-se Q ≈ 2,7 x 104 calorias.

Portanto, a resposta certa é a opção D) 2,7 x 104.

Espero que isso tenha ajudado! Agora, se o jovem brasileiro quiser aproveitar ao máximo sua experiência de esqui em Toronto, ele precisará se vestir com roupas adequadas para o clima frio e também se certificar de que está com uma boa preparação física para enfrentar as pistas de esqui.

Questão 88

Aletas foram instaladas em uma superfície mantida a 50 oC, visando a aumentar a taxa de transferência de calor. Ao se analisar uma das aletas isoladamente, verifica-se que o(s) principal(ais) mecanismo(s) de transferência de calor envolvido(s) é(são)

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A alternativa correta é D)

Aletas foram instaladas em uma superfície mantida a 50 oC, visando a aumentar a taxa de transferência de calor. Ao se analisar uma das aletas isoladamente, verifica-se que o(s) principal(ais) mecanismo(s) de transferência de calor envolvido(s) é(são)

  • A)apenas convecção.
  • B)apenas condução.
  • C)condução e radiação.
  • D)condução e convecção.
  • E)radiação e convecção.

É importante notar que, ao se instalar aletas em uma superfície, o objetivo é aumentar a área de contato entre a superfície e o fluido, permitindo uma maior taxa de transferência de calor. Nesse caso, a superfície está a 50 oC, o que significa que há uma grande diferença de temperatura entre a superfície e o fluido. Isso gera uma grande convecção natural, fazendo com que o fluido se movimente rapidamente em torno da aleta, aumentando a transferência de calor.

Além disso, a condução também é um mecanismo importante de transferência de calor nesse caso. A aleta está em contato direto com a superfície, o que permite que o calor seja transferido diretamente da superfície para a aleta. A combinação da convecção e da condução permite uma taxa de transferência de calor mais eficiente.

Já a radiação não é um mecanismo significativo nesse caso, pois a superfície está a uma temperatura relativamente baixa (50 oC) e a radiação é mais importante em altas temperaturas. Portanto, a opção correta é a D) condução e convecção.

É fundamental notar que a escolha da opção certa depende da compreensão dos mecanismos de transferência de calor e da análise das condições específicas do problema. Nesse caso, a combinação da convecção e da condução é a mais adequada para explicar o aumento da taxa de transferência de calor.

Além disso, é importante lembrar que a transferência de calor é um processo complexo que envolve vários mecanismos. A compreensão desses mecanismos é fundamental para projetar e otimizar sistemas de transferência de calor em diversas áreas, como engenharia mecânica, química e aeroespacial.

Questão 89

Em um forno tubular de uma refinaria, uma corrente de petróleo é aquecida por meio da queima de óleo combustível. Nesse forno, os tubos por onde escoa a corrente de petróleo são mantidos em contato com os gases oriundos da combustão a uma temperatura da ordem de 800 oC. Analisando-se o circuito térmico entre os gases de combustão e a corrente de petróleo, identifica-se a seguinte sequência de mecanismos de transferência de calor:

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A alternativa correta é D)

Essa sequência de mecanismos de transferência de calor é justificada pela análise do circuito térmico entre os gases de combustão e a corrente de petróleo. Inicialmente, os gases de combustão em alta temperatura transferem calor para os tubos do forno por meio de radiação, uma vez que a temperatura é elevada o suficiente para que a radiação seja significativa. Em seguida, o calor é transferido dos tubos para a parede dos tubos por condução, pois há contato direto entre as superfícies. Por fim, o calor é transferido da parede dos tubos para a corrente de petróleo por meio de convecção, pois a corrente de petróleo está em movimento e há uma diferença de temperatura entre a parede dos tubos e a corrente de petróleo.

É importante notar que a ordem dos mecanismos de transferência de calor não pode ser alterada, pois cada mecanismo depende do anterior. Por exemplo, não é possível ter convecção sem que haja uma diferença de temperatura entre a superfície e o fluido, e essa diferença de temperatura é gerada pela radiação e pela condução.

Além disso, é fundamental considerar as características do sistema em análise. No caso do forno tubular de uma refinaria, a temperatura é muito elevada, o que justifica a presença de radiação como mecanismo de transferência de calor. Além disso, a corrente de petróleo está em movimento, o que favorece a convecção como mecanismo de transferência de calor.

Portanto, a sequência correta de mecanismos de transferência de calor é radiação, condução e convecção, o que corresponde à opção D) radiação e convecção → condução → convecção. Essa sequência é consistente com as características do sistema e com as principais leis da física que governam a transferência de calor.
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Questão 90

Analise as afirmações abaixo.

Ponto de fusão é a temperatura na qual ocorre a passagem do estado sólido para o líquido, a determinada pressão.

PORQUE

O ponto de fusão não depende da quantidade de material e, sim, do tipo, sendo uma grandeza extensiva.

A esse respeito, conclui-se que









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A alternativa correta é C)

Analise as afirmações abaixo.

Ponto de fusão é a temperatura na qual ocorre a passagem do estado sólido para o líquido, a determinada pressão.

PORQUE

O ponto de fusão não depende da quantidade de material e, sim, do tipo, sendo uma grandeza extensiva.

A esse respeito, conclui-se que

  • A) as duas afirmações são verdadeiras e a segunda justifica a primeira.
  • B) as duas afirmações são verdadeiras e a segunda não justifica a primeira.
  • C) a primeira afirmação é verdadeira e a segunda é falsa.
  • D) a primeira afirmação é falsa e a segunda é verdadeira.
  • E) as duas afirmações são falsas.

Explicação: A afirmação "Ponto de fusão é a temperatura na qual ocorre a passagem do estado sólido para o líquido, a determinada pressão" é verdadeira. No entanto, a afirmação "O ponto de fusão não depende da quantidade de material e, sim, do tipo, sendo uma grandeza extensiva" é falsa. O ponto de fusão não é uma grandeza extensiva, pois depende apenas das propriedades intrínsecas do material, como sua estrutura molecular e sua composição química, e não da quantidade de material.

Portanto, a resposta correta é C) a primeira afirmação é verdadeira e a segunda é falsa.

Vamos analisar cada opção:

  • A) É falso, pois a segunda afirmação não justifica a primeira.
  • B) É falso, pois a segunda afirmação não é verdadeira.
  • C) É verdadeiro, pois a primeira afirmação é verdadeira e a segunda é falsa.
  • D) É falso, pois a primeira afirmação é verdadeira e a segunda é falsa.
  • E) É falso, pois a primeira afirmação é verdadeira.

Em resumo, é importante ter cuidado ao analisar as afirmações e não confundir conceitos científicos. A compreensão correta dos conceitos é fundamental para responder às questões de forma precisa.

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