Questões Sobre Termologia - Física - concurso
1221) Um tubo de metal com 1 metro de comprimento é aquecido por meio de vapor d’água conforme a ilustração abaixo. No processo, a temperatura do tubo foi elevada de 20° para 100 °C. Ao término do aquecimento, o ponteiro preso ao eixo de 1 mm de diâmetro acusou no transferidor uma rotação 90°.
A dilatação térmica observada, aproximadamente, em mm, foi de
- A) 2,4.
- B) 0,4.
- C) 0,8.
- D) 1,7.
- E) 0,1.
A resposta correta é a letra C) 0,8.
Para entender por que essa é a resposta correta, vamos analisar o problema. O tubo de metal foi aquecido de 20°C para 100°C, o que significa que houve uma variação de temperatura de 80°C. Como resultado, o ponteiro preso ao eixo de 1 mm de diâmetro sofreu uma rotação de 90°.
A dilatação térmica do metal é proporcional à variação de temperatura. Portanto, podemos calcular a dilatação térmica do tubo de metal usando a fórmula:
$$Delta L = alpha cdot L cdot Delta T$$
onde $Delta L$ é a variação de comprimento, $alpha$ é o coeficiente de dilatação térmica do metal, $L$ é o comprimento inicial do tubo (1 metro) e $Delta T$ é a variação de temperatura (80°C).
Como o problema não fornece o valor do coeficiente de dilatação térmica do metal, não podemos calcular exatamente a variação de comprimento. No entanto, podemos avaliar a ordem de grandeza da resposta.
A variação de comprimento é proporcional à variação de temperatura, que é de 80°C. Além disso, o coeficiente de dilatação térmica dos metais é geralmente da ordem de 10-5/°C. Portanto, a variação de comprimento deve ser da ordem de 0,1 mm.
Entre as opções, a letra C) 0,8 mm é a mais próxima da resposta esperada. Portanto, é a resposta correta.
1222) Uma placa de cobre de massa 0,15 Kg apresenta uma temperatura inicial de 20°C. Sabendo que essa placa apresenta calor específico igual a 0,033 cal/g °C, qual é a quantidade de calor necessária para que essa placa de cobre eleve sua temperatura para 65°C?
- A) 222,75 cal.
- B) 420,75 cal.
- C) 2.227,5 cal.
- D) 4.207,5 cal.
A alternativa correta é letra A) 222,75 cal.
O calor que provoca mudança na temperatura de um corpo pode ser calculado por:
Q = m cdot c cdot Delta T
Sabemos que:
massa (m) = 0,15 kg = 150 g
calor específico (c) = 0,033 cal/gºC
variação de temperatura (Delta T) = 65 - 20 = 45ºC
Substituindo estes valores na equação, temos:
Q = m cdot c cdot Delta T
Q = 150 cdot 0,033 cdot 45
Q = 222,75 mbox{ cal}
Resposta: Alternativa A
1223) Podemos expressar a dilatação linear de um corpo através de um gráfico de seu comprimento (L) em função da temperatura ( theta) e, portanto:
Como a lei de dilatação é dada por:
triangle L = alpha L_o triangle theta
e sendo
varphi o ângulo de inclinação da reta, então, pelo gráfico, fica evidente que:
- A)
COS varphi = L_o
- B)
COSSEC varphi = alpha L_o
- C)
SEN varphi = alpha.
- D)
tan, varphi = alpha L_o
- E)
tan, varphi = O
A alternativa correta é letra D)
tan, varphi = alpha L_o
Como varphi é a inclinação da reta, temos que tan varphi é o valor do coeficiente angular da reta. Assim, temos que:
tan varphi = dfrac { Delta L } { Delta theta}
Entretanto, temos que Delta L = alpha L_o Delta theta. Logo,
tan varphi = dfrac { alpha L_o cancel { Delta theta } } { cancel { Delta theta } }
tan varphi = alpha L_o
Portanto, a resposta correta é a alternativa (D).
1224) Um pacote de 600 gramas de vegetais, à temperatura de 20 °C, em posto para congelar a uma temperatura de –18 °C.
Considerando que o calor específico destes vegetais é 0,5 cal/g°C e o processo de congelamento levou duas horas e meia, assinale a alternativa correspondente à potência desse processo (considere 1 caloria = 4,2 Joules).
- A) 5,32 Watts.
- B) 13,33 Watts.
- C) 18,8 Watts.
- D) 47,8 Watts.
A alternativa correta é letra A) 5,32 Watts.
Primeiramente, vamos calcular a quantidade de calor necessária para congelar os vegetais:
Q = mcDelta theta
Do enunciado, temos que m = 600 , g, c = 0,5 , cal/g°C e Delta theta = theta_{final} - theta_{inicial} = -18 -20 = - 38°C. Assim, temos que:
Q = 600 cdot 0,5 cdot ( -38 )
Q = - 11.400 , cal
Note que o sinal é negativo pois o calor é retirado dos vegetais. Como 1 , cal = 4,2 , J, a quantidade de energia retirada dos vegetais nesse processo é dada por:
E = 11.400 cdot 4,2
E = 47.880 , J
Assim, podemos escrever a expressão para a potência desse processo da seguinte forma:
P = dfrac { E } { Delta t }
Substituindo-se Delta t em segundos, temos que:
P = dfrac { 47.880 , J } { 2,5 cdot 60 cdot 60 , s}
P = 5,32 , J/s
P = 5,32 , W
Portanto, a resposta correta é a alternativa (A).
1225) Na construção civil, utilizam-se os mais diferentes tipos de materiais, tais como concreto, aço, vidro e madeira. Assinale a alternativa que indica a propriedade física que mais deve ser levada em consideração ao se combinar esses materiais em uma estrutura.
- A) Calor específico.
- B) Densidade.
- C) Resistência à compressão térmica.
- D) Coeficiente de expansão térmica.
A alternativa correta é letra D) Coeficiente de expansão térmica.
Na construção civil, os materiais utilizados em estruturas geralmente são expostos a grandes ou bruscas variações de temperatura. Por exemplo, a temperatura da parte estrutural de uma cobertura pode chegar a atingir 40°C na temperatura máxima do dia, e baixar para menos de 20°C durante a noite, o que apresenta uma variação de temperatura mais de 20°C em algumas horas. Como sabemos, devido ao aumento da temperatura, os corpos sofrem dilatação térmica. Dessa forma, é imprescindível que se conheça os coeficientes de expansão térmica de cada material empregado a fim de evitar o surgimento de rachaduras e de outros defeitos estruturais.
Portanto, a resposta correta é a alternativa (D).
1226) Um objeto de alumínio (calor específico: 0,22 cal/g°C) com massa de 15 gramas, exposto ao sol, teve sua temperatura elevada de 15 °C para 50 °C. Assinale a alternativa correspondente à energia térmica absorvida, em Joules (considere 1 caloria = 4,2 Joules), pelo objeto.
- A) 3,23 • 10² Joules
- B) 3,23 • 10³ Joules
- C) 4,85 • 10² Joules.
- D) 4,85 • 10³ Joules.
A alternativa correta é letra C) 4,85 • 10² Joules.
Vamos calcular a quantidade de calor que o objeto de alumínio absorveu utilizando equação a seguir:
Q = mc Delta theta
Onde m é a massa do objeto, c é o calor específico e Delta theta é a variação na temperatura. Assim, temos:
Q = 15 cdot 0,22 cdot (50 - 15)
Q = 15 cdot 0,22 cdot (50 - 15)
Q = 15 cdot 0,22 cdot 35
Q = 115,5 cal
Como 1 caloria = 4,2 Joules, temos:
Q = 115,5 cdot 4,2 J
Q = 485,1 J
Q = 4,85 cdot 10^2 J
Portanto, a resposta correta é a alternativa (C).
1227) Dois trilhos de trem consecutivos, de 10 metros de comprimento cada, estão separados por uma distância de 1 cm um do outro, à temperatura de 25 °C. Considerando que o coeficiente de expansão térmica do aço é de 12,5 ∙ 10-6 °C-1, assinale a alternativa que corresponde à temperatura a partir da qual eles se tocarão.
- A) 65 °C.
- B) 45 °C.
- C) 80 °C.
- D) 105 °C.
A alternativa correta é letra A) 65 °C.
A dilatação térmica linear é dada pela equação a seguir:
Delta L = alpha cdot L_0 cdot Delta theta
Onde alpha é o coeficiente de expansão térmica, L_0 é o comprimento inicial e Delta theta é a variação de temperatura. Como a distância entre os dois trilhos é de 1 cm, basta que cada trilho se dilate 0,5 cm para que se toquem. Assim, temos:
0,005 = 12,5 cdot 10^{-6} cdot 10 cdot Delta theta
Delta theta = 40°C
Logo,
theta_{final} - theta_{inicial} = 40°C
theta_{final} - 25°C = 40°C
theta_{final} = 65°C
Portanto, a resposta correta é a alternativa (A).
1228) Termômetros são geralmente construídos utilizando-se álcool ou mercúrio, os quais se expandem ou contraem com a variação da temperatura. Além da faixa de temperatura em que permanece no estado líquido (0°C a 100°C), assinale a alternativa que indica outro motivo porque não são feitos termômetros utilizando água.
- A) A água se expande mais que outros líquidos ao passar para o estado gasoso.
- B) A água se contrai mais que outros líquidos ao passar para o estado sólido.
- C) A água possui uma viscosidade muito elevada, o que faria com que a ela aderisse no vidro, não se movendo com as mudanças de temperatura.
- D) A água se expande, ao invés de se contrair, quando a temperatura se reduz no intervalo de 4°C a 0°C.
A alternativa correta é letra D) A água se expande, ao invés de se contrair, quando a temperatura se reduz no intervalo de 4°C a 0°C.
Como descrito no enunciado, o funcionamento do termômetro consiste na expansão e contração de um material devido à alteração de temperatura. Isso ocorre devido à dilatação térmica dos materiais, que faz com que o volume do conteúdo do termômetro se expanda quando a temperatura aumente e se contraia quando a temperatura diminuir. Entretanto, a água possui um comportamento anômalo entre 0°C e 4°C, de forma que há uma diminuição de volume quando aquecida e um aumento de volume quando é resfriada. Logo, a alternativa (D) é a resposta correta.
Portanto, a resposta correta é a alternativa (D).
1229) Uma superfície à temperatura T na escala Kelvin emite energia radiante a uma taxa
- A) inversamente proporcional à área da superfície e à quarta potência de sua temperatura.
- B) inversamente proporcional à área da superfície e diretamente proporcional à quarta potência de sua temperatura.
- C) diretamente proporcional à área da superfície e à quarta potência de sua temperatura.
- D) diretamente proporcional à área da superfície e inversamente proporcional à quarta potência de sua temperatura.
- E) diretamente proporcional à área da superfície e inversamente proporcional à terceira potência de sua temperatura
A alternativa correta é letra C) diretamente proporcional à área da superfície e à quarta potência de sua temperatura.
Vamos primeiramente resolver este exercício de maneira qualitativa e intuitiva sem a utilização de equações e posteriormente resolver a questão mais rigorosamente.
Podemos imaginar que a energia radiante emitida por uma superfície deve ser diretamente proporcional à área da superfície, pois quanto maior a superfície, mais energia ela irá emitir. Outro aspecto que devemos analisar é com relação à temperatura. Podemos imaginar que um corpo a uma temperatura mais elevada emite mais energia radiante que outro em menor temperatura. Podemos observar isso numa panela em aquecimento. Na temperatura ambiente ao aproximarmos a mão da panela não sentimos nada, porém quando a panela está numa temperatura elevada, ao aproximarmos a mão dela, podemos sentir um "calor" proveniente da panela. Esse "calor" é a energia radiante emitida pela panela.
Agora de posse desses dois conceitos intuitivos devemos encontrar uma alternativa que confirmem eles, ou seja, devemos eliminar todas as alternativas que afirme que a energia é inversamente proporcional a qualquer uma das variáveis (área e temperatura). Analisando as alternativas:
a) inversamente proporcional à área da superfície e à quarta potência de sua temperatura.
b) inversamente proporcional à área da superfície e diretamente proporcional à quarta potência de sua temperatura.
c) diretamente proporcional à área da superfície e à quarta potência de sua temperatura.
d) diretamente proporcional à área da superfície e inversamente proporcional à quarta potência de sua temperatura.
e) diretamente proporcional à área da superfície e inversamente proporcional à terceira potência de sua temperatura.
Por eliminação, podemos ver que restou apenas a alternativa (c), sendo esta a correta.
Vamos agora resolver a questão com mais detalhes teóricos. De acordo com a lei de Stefan-Boltzmann, a quantidade de energia radiante emitida (E) por unidade de área (A) e por unidade de tempo (Delta t) é proporcional à temperatura absoluta do corpo (T) elevada a quarta potência, então:
dfrac{E}{A, Delta t}=sigmacdot T^4
Como o exercício solicita a taxa de emissão de energia radiante left( dfrac{E}{Delta t} = dot{E} right), iremos isolar esse termo na equação acima:
dfrac{E}{Delta t}=sigmacdot T^4cdot A ;;; implies ;;; dot{E}=sigmacdot color{brown}{T^4}cdot color{green}{A}
Portanto uma superfície à temperatura (T) na escala Kelvin emite energia radiante a uma taxa (dot{E}) diretamente proporcional à área da superfície (color{green}{A}) e à quarta potência de sua temperatura (color{brown}{T^4}), como mostra a equação acima.
Referência: BETZ, Michel. Radiação térmica - teoria de Planck: A lei de Stefan-Boltzmann, [sd]. Disponível em: <https://www.if.ufrgs.br/~betz/iq_XX_A/radTerm/aRadTermFrame.htm>. Acesso em: 25 mar. 2022.
1230) O coeficiente de transferência de calor por convecção h presente na lei do resfriamento de Newton
- A) é uma propriedade termodinâmica.
- B) é um parâmetro teórico.
- C) independe das propriedades do fluido envolvido.
- D) independe da geometria da superfície envolvida.
- E) incorpora a natureza do padrão de escoamento próximo à superfície envolvida.
A alternativa correta é letra E) incorpora a natureza do padrão de escoamento próximo à superfície envolvida.
Pessoal, o coeficiente mencionado tem as seguintes unidades
h = [[dfrac{W}{m^2 K}]
a) é uma propriedade termodinâmica.
ERRADA. Se trata de uma propriedade que envolve variadas situações como área temperatura e fluxo.
b) é um parâmetro teórico.
ERRADA. É verificado na prática.
c) independe das propriedades do fluido envolvido.
ERRADA. Olhando a análise dimensional vemos que depende sim
d) independe da geometria da superfície envolvida.
ERRADA. Olhando a análise dimensional vemos que depende sim
e) incorpora a natureza do padrão de escoamento próximo à superfície envolvida.
CORRETA. É na proximidade do escoamento que é analisado o coeficiente.
Gabarito: LETRA E.