Questões Sobre Termologia - Física - concurso
1851) A taxa metabólica basal de um adulto é, em média, de 120 W. Ou seja, essa é a taxa com que esse adulto, quando em repouso, converte a energia química contida nos alimentos em energia térmica. Por serem animais homeotérmicos, os seres humanos apresentam a capacidade de controlar sua temperatura corpórea, mantendo-a aproximadamente constante. Assim, quando em repouso, devem transferir energia para o ambiente a uma taxa igual à taxa metabólica basal. Considere que uma pessoa de 80 kg esteja dormindo em um local, onde, em 2 h, a temperatura ambiente se eleva de 20 ºC para 23 ºC. Considerando a taxa metabólica basal citada anteriormente, o calor específico médio do corpo dessa pessoa é de
- A) 3,6 x 103 frac{J}{Kg.ºC}
- B) 2,4 x 103 frac{J}{Kg.ºC}
- C) 4,2 x 103 frac{J}{Kg.ºC}
- D) 5,8 x 103 frac{J}{Kg.ºC}
- E) 6,4 x 103 frac{J}{Kg.ºC}
A alternativa correta é letra A) 3,6 x 103 frac{J}{Kg.ºC}
Pessoal, precisamos aplicar diretamente a fórmula de calor.
Reparem que foi dado uma unidade de potência com a respectiva carga horária envolvida.
Q = m c Delta T
P times Delta t = m c Delta T
120 times 2 times 3.600 = 80 times c times (23 - 20)
c = 3.600 , dfrac{J}{kg ºC}
c = 3,6 times 10^3 , dfrac{J}{kg ºC}
Gabarito: LETRA A.
1852) Uma placa de aço e uma placa de alumínio são unidas de modo a formar uma placa bimetálica de comprimento L e lado a (L>>a).
Em geral, placas bimetálicas podem ser utilizadas como termostatos (sensores em dispositivos para controlar a temperatura), fazendo ou desfazendo algum contato elétrico a uma temperatura definida devido à curvatura formada no material com a mudança de temperatura.
A curvatura neste tipo de material pode ser atribuída ao fato de que:
- A) os materiais que constituem a placa bimetálica possuem coeficientes de expansão térmica muito distintos.
- B) o calor latente do material faz com que a placa bimetálica se curve, quando submetida a algum processo termodinâmico.
- C) o aquecimento do material faz com que a temperatura varie de modo anisotrópico na junção, causando a curvatura.
- D) a agitação molecular devido ao aumento de temperatura é o principal motivo para a deformação da barra, curvando-a para o lado do alumínio.
- E) o arranjo cristalográfico de cada material varia com a mudança de temperatura.
A resposta correta é a letra A) os materiais que constituem a placa bimetálica possuem coeficientes de expansão térmica muito distintos.
Isso ocorre porque, a expansão térmica é uma propriedade característica de cada material, e quando você combina dois materiais com coeficientes de expansão térmica diferentes, como o aço e o alumínio, em uma placa bimetálica, a diferença entre esses coeficientes faz com que a placa curve quando submetida a mudanças de temperatura.
Quando a temperatura aumenta, o material com coeficiente de expansão térmica mais alto (no caso, o alumínio) se expande mais do que o outro material (o aço), causando a curvatura da placa. E vice-versa, quando a temperatura diminui, o material com coeficiente de expansão térmica mais baixo se contrai mais do que o outro, também causando a curvatura da placa.
Essa propriedade é justamente a razão pela qual as placas bimetálicas são usadas como termostatos, pois elas podem ser projetadas para fazer ou desfazer contatos elétricos a uma temperatura específica, controlando assim a temperatura em dispositivos.
Portanto, a alternativa A é a correta, pois a diferença nos coeficientes de expansão térmica dos materiais que constituem a placa bimetálica é o principal motivo para a curvatura da placa quando submetida a mudanças de temperatura.
1853) Numa noite fria, o termômetro estava marcando a temperatura de 12,2 ºF. Na escala termométrica Celsius, essa temperatura, equivale a:
- A) -13℃
- B) -9℃
- C) -15℃
- D) -7℃
- E) -11℃
A alternativa correta é letra E) -11℃
Para convertermos diretamente uma temperatura F dada em °F para uma temperatura C dada em °C, ou vice-versa, podemos utilizar a seguinte relação:
dfrac{C}{5} = dfrac{F - 32}{9}
Esta expressão vem da proporção existente entre as duas escalas quando comparamos três pontos correspondentes entre elas.
Geralmente utilizamos as temperaturas de vaporização e solidificação da água para encontrar uma terceira temperatura conhecida em apenas uma das duas escalas.
Substituindo o valor de F dado no enunciado para encontrar o valor de C teremos:
dfrac{C}{5} = dfrac{12,2 - 32}{9}
dfrac{C}{5} = dfrac{-19,8}{9}
C = dfrac{-19,8 cdot 5}{9}
C = dfrac{-99}{9}
C = -11
Na escala termométrica Celsius, a temperatura de 12,2°F equivale a - 11°C.
Resposta correta: Alternativa E
1854) Sentindo-se febril, uma pessoa pretendia aferir sua temperatura corporal. Naquele momento, possuía um termômetro de mercúrio antigo, cujas marcas de temperatura, ou fundo de escala, já estavam apagadas. Decidiu, então, marcar no termômetro os tamanhos das colunas de mercúrio, quando o termômetro atingiu equilíbrio térmico, utilizando
Com base nas informações apresentadas e nos conhecimentos de Termometria, a conclusão a que a pessoa chegou foi que ela estava com
- A) 35,0° C, indicando um quadro de hipotermia.
- B) 36,0° C, temperatura considerada dentro da normalidade.
- C) 37,0° C, ou seja, temperatura normal.
- D) 38,0° C, indicando um quadro febril.
- E) 39,0° C, indicando um quadro de febre muito alta.
A alternativa correta é letra D) 38,0° C, indicando um quadro febril.
Dados
- uma mistura de água + gelo, – indicado na figura como a primeira marca tracejada à esquerda = 0°C, corresponde à 0cm
- o seu corpo, – indicado como a marca tracejada intermediária = T
- uma mistura de água + vapor, – indicado como a marca mais à direita = 100°C, corresponde à 20cm.
Podemos fazer uma interpolação e determinar o valor da temperatura correspondente aos 7,6cm.
frac{T-0}{100-0}=frac{7,6-0}{20-0}
frac{T}{100}=frac{7,6}{20}
T = 38°C
1855) Na viagem de instrução que ocorre anualmente, o Navio Escola Brasil (U27) encontrava-se atracado no porto de Baltimore, nos Estados Unidos (EUA). Ao descer a prancha do navio e andar poucos metros pelo porto, um militar componente da tripulação do navio observa o painel de um termômetro marcando 41F (Fahrenheit). Qual seria a indicação do painel se a temperatura estivesse sendo exibida em graus Celsius?
- A) 5ºC
- B) 10ºC
- C) 15ºC
- D) 20ºC
- E) 25ºC
A alternativa correta é letra A) 5ºC
A questão conta uma história apenas de contexto que não precisa ser lida para resolver a questão.
Para resolver, precisamos aplicar diretamente a fórmula de transformação de graus Celsius para Fahrenheit.
T_C = dfrac{T_F - 32} {1,8}
T_C = dfrac{9}{1,8} = 5° , C
Em questões assim as vezes o examinador fornece graus Kelvin. Não foi o caso dessa questão, mas se fosse, primeiro precisamos transformar em graus Celsius.
Gabarito: LETRA A.
1856) Em um dia ensolarado, a beira do mar, um banhista introduz uma pedra de gelo de 50g, a 0ºC, em uma garrafa térmica, contendo 250g de água a 25ºC, e a fecha. Desconsidere as trocas de calor com a garrafa. Calcule a temperatura de equilíbrio do sistema, em ºC, inicialmente formado por água e gelo, no interior da garrafa, e assinale a opção correta.
Dados:
Calor específico da água= 1,0 cal/gºC; e
Calor latente da água = 80 cal/g.
- A) 0
- B) 2.5
- C) 5
- D) 7.5
- E) 10
Resposta: D) 7.5°C
Vamos resolver essa questão de termologia passo a passo.
Primeiramente, precisamos encontrar a variação de temperatura que a água sofreu. Para isso, precisamos considerar a quantidade de calor que o gelo absorveu para se fundir e a quantidade de calor que a água cedeu para chegar à temperatura de equilíbrio.
O calor latente de fusão do gelo é de 80 cal/g, portanto, para fundir 50g de gelo, é necessário 50g x 80 cal/g = 4000 cal.
Agora, precisamos calcular a variação de temperatura da água. A água inicialmente estava à 25°C e, ao final, estará à temperatura de equilíbrio. Vamos chamar essa temperatura de x°C.
A variação de temperatura da água é de 25°C - x°C. O calor específico da água é de 1,0 cal/g°C, portanto, a variação de calor da água é de 250g x 1,0 cal/g°C x (25°C - x°C) = 250 cal/°C x (25°C - x°C).
Agora, podemos equacionar as duas expressões de calor:
250 cal/°C x (25°C - x°C) = 4000 cal
Resolvendo essa equação, encontramos:
x°C = 7.5°C
Portanto, a temperatura de equilíbrio do sistema é de 7.5°C, que é a alternativa D.
Explicação: A temperatura de equilíbrio é a temperatura que o sistema alcança quando não há mais troca de calor entre os componentes. Nesse caso, o gelo fundiu e a água perdeu calor até alcançar a temperatura de equilíbrio. A temperatura de equilíbrio é de 7.5°C, que é a resposta correta.
1857) Em relação à Termodinâmica, assinale a opção INCORRETA
- A) O trabalho realizado num processo termodinâmico não depende do caminho entre os estados inicial e final de certa massa de um gás perfeito.
- B) A energia interna de uma dada quantidade de um gás perfeito é função exclusiva de sua temperatura.
- C) Numa expansão isobárica, de uma certa massa de gás perfeito, a quantidade de calor recebida é maior que o trabalho realizado.
- D) Em uma transformação cíclica de uma dada massa de um gás perfeito, o calor total trocado é igual ao trabalho realizado.
- E) É impossível construir uma máquina, operando em ciclos, cujo único efeito seja retirar calor de uma fonte e convertê-lo integralmente em trabalho.
A alternativa correta é letra A) O trabalho realizado num processo termodinâmico não depende do caminho entre os estados inicial e final de certa massa de um gás perfeito.
Analisando alternativa por alternativa
a) O trabalho realizado num processo termodinâmico não depende do caminho entre os estados inicial e final de certa massa de um gás perfeito.
INCORRETA. Pessoal é exatamente a variação do estado inicial e final que faz com que o trabalho seja realizado. Ela depende do caminho percorrido pelo gás. Logo, é absurdo falar que o estado inicial e final não influi no trabalho (mesmos gases submetidos a condições diferentes realizam trabalhos diferentes).
b) A energia interna de uma dada quantidade de um gás perfeito é função exclusiva de sua temperatura.
CORRETA. A Energia interna de um gás perfeito é dado por
Delta E = n R Delta T
Como n e R são constantes dadas, depende exclusivamente da temperatura.
c) Numa expansão isobárica, de uma certa massa de gás perfeito, a quantidade de calor recebida é maior que o trabalho realizado.
CORRETA.
Q = W + Delta E
Em uma expansão, o trabalho é positivo. Como a energia interna de um gás também é positiva, a quantidade de calor é maior (soma-se os dois)
d) Em uma transformação cíclica de uma dada massa de um gás perfeito, o calor total trocado é igual ao trabalho realizado.
CORRETA. Quando temos um ciclo fechado, o calor trocado é igual ao trabalho realizado. Esquematicamente.
e) É impossível construir uma máquina, operando em ciclos, cujo único efeito seja retirar calor de uma fonte e convertê-lo integralmente em trabalho.
CORRETA. Nenhum ciclo é perfeito, sempre há perdas. Na figura acima, se tivéssemos a conversão integral inexistiria a seta Q_F sendo todo o calor da fonte quente convertido em trabalho. Não existe rendimento de 100%.
Gabarito: LETRA A.
1858) Um pesquisador mergulha uma lâmina bimetálica de latão e ferro de 5 cm de comprimento, 0,3 mm de espessura e perfeitamente plana a 20ºC em um fluido para estimar a sua temperatura. Um feixe de laser incide sobre a extremidade superior da lâmina, como mostra a figura abaixo. A extremidade inferior é mantida fixa e sempre vertical. A lâmina bimetálica encontra-se à distância d = 20,0 cm de uma das paredes do recipiente, atravessada pelo feixe no ponto P1. O laser reflete na extremidade da lâmina bimetálica e volta a incidir sobre a mesma parede no ponto P2, distante L = 11,4 cm do ponto P1. As lâminas superpostas têm a mesma espessura, o coeficiente de dilatação linear do latão é igual a alpha_1 = 18 times 10^{-6}K^{-1} e do ferro igual a alpha_2 = 2 times 10^{-6}K^{-1}.
Assinale a alternativa que apresenta o intervalo contendo a melhor estimativa da temperatura do fluido.
- A) 30^oC le T le 80^oC
- B) 80^oC le T le 130^oC
- C) 130^oC le T le 180^oC
- D) 180^oC le T le 230^oC
- E) 230^oC le T le 280^oC
ESTA QUESTÃO FOI ANULADA, NÃO POSSUI ALTERNATIVA CORRETA
Gabarito: ANULADA.
Devido ao aquecimento, a lâmina bimetálica sofre uma curvatura causada pela dilatação térmica. Assim, a reflexão do laser ocorre como nos mostra a figura a seguir:
Onde R é o raio de curvatura externo da lâmina, cujo arco é S. Da figura, temos que:
tan left( 2 varphi right) = dfrac { 11,4 } { 20 }
Logo,
tan left( 2 varphi right) = 0,57 approx dfrac { sqrt 3 } 3
2 varphi approx 30° = dfrac { pi } 6
varphi approx dfrac { pi } { 12 }
varphi approx 0,26 , rad
Assim, para a superfície externa da lâmina, podemos escrever:
S = varphi R
Sendo L_0 o comprimento inicial das lâminas, podemos escrever a equação acima da seguinte maneira:
L_0 left( 1 + alpha_1 Delta T right) = varphi R tag 1
Analogamente para a superfície que separa os dois metais, podemos escrever:
S' = varphi left( R - dfrac e2 right)
Logo,
L_0 left( 1 + alpha_2 Delta T right) = varphi R - dfrac { varphi e } 2
Substituindo a equação (1), temos que:
L_0 left( 1 + alpha_2 Delta T right) = L_0 left( 1 + alpha_1 Delta T right) - dfrac { varphi e } 2
cancel { L_0 } + L_0 alpha_2 Delta T = cancel { L_0 } + L_0 alpha_1 Delta T- dfrac { varphi e } 2
L_0 alpha_1 Delta T - L_0 alpha_2 Delta T = dfrac { varphi e } 2
L_0 Delta T left( alpha_1 - alpha_2 right) = dfrac { varphi e } 2
Delta T = dfrac { varphi e } { 2 L_0 left( alpha_1 - alpha_2 right) }
Substituindo varphi e os valores do enunciado, temos
Delta T = dfrac { 0,26 cdot 0,3 times 10^{-3} } { 2 cdot 5 times 10^{-2} left( 18 times 10^{-6} - 2 times 10^{-6} right) }
Delta T approx 49 , K = 49,°C
Então,
T - T_0 = 49
T - 20 = 49
T = 69 , °C
Assim, a resposta correta seria a alternativa (a). Entretanto, houve um problema de digitação que anulou a questão, pois o enunciado nos diz que d = 20 , cm e a figura traz d = 20 , mm. Portanto, a questão foi devidamente anulada.
1859) Desde o início do século XIX, a temperatura é reconhecida como um dos pontos-chaves do ensino básico de Física, dada sua importância na caracterização e determinação de inúmeros fenômenos físicos, químicos e biológicos [Pires, 2006, p. 105]. A temperatura é uma das grandezas físicas mais conhecidas e citadas que está inserida no cotidiano das pessoas por meio dos jornais, rádios, televisão, previsões meteorológicas, equipamentos eletrodomésticos etc. Pode-se percebê-la de várias maneiras, por exemplo, para saber quão quente ou frio está um determinado corpo em relação a outro corpo de referência, ou ainda como indicadora do sentido da troca de energia na forma de calor entre o corpo e sua vizinhança [Marques, 2009].
VI Congresso Brasileiro de Informática na Educação (CBIE 2017) Anais do XXIII Workshop de Informática na Escola (WIE 2017) (Adaptado)
Em um laboratório de Física deseja-se realizar um experimento utilizando uma relação matemática entre o comprimento de uma coluna de mercúrio e a relação com os pontos fixos de fusão e ebulição da água à pressão normal. A relação destaca-se da seguinte forma: o comprimento da coluna de mercúrio registra 8,0 cmHg, quando imerso em um banho de (água+ gelo) (0ºC), e 42,0 cmHg, quando imerso em água fervendo à (100ºC). Após a realização do experimento, deseja-se obter duas informações:
I- O valor registrado na escala Fahrenheit (ºF), quando a coluna de mercúrio registrar T = 24, 0 cmHg;
II- O coeficiente angular da reta (m) correspondente à função TF = mTh + n.
Dentre as alternativas abaixo, assinale aquelas que tem os valores respectivamente correspondidos:
- A) 116,7 ºF e 5,3
- B) 88,9 ºF e 4,5
- C) 57,06 ºF e 5,3
- D) 88,9 ºF e 2,5
- E) 116,7 ºF e 4,5
A alternativa correta é letra A) 116,7 ºF e 5,3
Pessoal, questão de escalas de temperatura.
Basta fazermos uma interpolação para chegarmos aos valores. Se tiver dificuldade em enxergar, desenha duas retas (escalas) com a coluna e a temperatura.
Do lado esquerdo coloquei a variação de altura de mercúrio e do direito as temperaturas.
dfrac{42 - 24}{42 - 8} = dfrac{100 - T}{100 - 0}
1.800 = 3.400 - 34T
T = 47 ,ºC
Agora, sabemos que,
(T_C times 9/5) + 32 = T_F
T_F = 116,7 ,ºF
Com relação a segunda afirmação, vamos pegar os valores calculados acima
116,7 = m times 24 + n
Precisamos agora calcular o valor de n. Este valor de n é descoberto quando a altura de mercúrio é nula.
Para alturas de mercúrio nulas teremos
dfrac{42 - 0}{42 - 8} = dfrac{100 - T_C}{100 - 0}
T_C = 23,5 , ºC
T_F = 74,3
Logo,
74,3 = m times 0 + n
n = 74,3
Então,
116,7 = m times 24 + 74,3
m = 1,78
A questão, entretanto, colocou o gabarito como sendo LETRA A.
Gabarito: LETRA A.
1860) Em 1807, Fourier (1768-1830) apresentou um artigo para a Academia de Ciências da França que revolucionou a matemática na época. Ele descreveu o problema da propagação do calor em barras, chapas e sólidos metálicos. Mais tarde, William Thomson (1824-1927), mais conhecido como Lord Kelvin, ou simplesmente Kelvin, também se interessou pelo problema dando grandes contribuições, e chegou a afirmar que sua carreira como físico-matemático fora influenciada por Fourier. A frase mais famosa atribuída a Fourier é: “O estudo profundo da natureza é a fonte mais rica de descobertas matemáticas”.
Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 41, no 3, e20180245 (2019) www.scielo.br/rbef DOI: http://dx.doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2018-0245 (Adaptado)
No laboratório de Física foi testado o aparato experimental para analisar o comportamento térmico de uma barra metálica. A situação do aparato experimental é descrita da seguinte forma: Considere uma barra metálica, com coeficiente de condutividade térmica k, e área de seção transversal A, a barra encontra-se envolvida com material que não permite a propagação do calor para o meio externo. Os dois reservatórios encontram-se com temperaturas T2 e T1 respectivamente, com T2 > T1. Algumas analises foram realizadas considerando o regime estacionário, das quais destacam-se três:
I- O fluxo de calor na barra é no sentido do reservatório Q (Temperatura T2), para o reservatório F (Temperatura T1).
II- A temperatura no ponto P, ponto próximo à extremidade do reservatório da fonte quente Q é T_ p = frac{T_2 e_2 – T_ 1 e_1}{e_2 + e_1}.
III- A temperatura no ponto P, ponto próximo à extremidade do reservatório da fonte quente Q é T_ p = frac{T_2 e_2 + T_ 1 e_1}{e_2 + e_1}.
É VERDADEIRO o que se afirma apenas em
- A) II e III.
- B) I e III.
- C) III.
- D) II.
- E) I.
A alternativa correta é letra B) I e III.
Pessoal, vamos analisar uma a uma.
I- O fluxo de calor na barra é no sentido do reservatório Q (Temperatura T2), para o reservatório F (Temperatura T1). CORRETA. Realmente pessoal. O fluxo é sempre do mais quente -> mais frio.
II- A temperatura no ponto P, ponto próximo à extremidade do reservatório da fonte quente Q é T_ p = frac{T_2 e_2 - T_ 1 e_1}{e_2 + e_1}. ERRADA. Pessoal, temos que o fluxo de calor é dado por
Q = dfrac{k A Delta T}{d}
Aonde temos constante de condução, área, variação de temperatura, e comprimento.
Logo, de T2 a Tp e TP a T1.
dfrac{k A (T_2 - T_P)}{e_1} = dfrac{k A (T_P - T_1)}{e_2}
dfrac{(T_2 - T_P)}{e_1} = dfrac{(T_P - T_1)}{e_2}
T_2 e_2 + T_1 e_1 = T_P (e_1 + e_2)
T_P = dfrac{T_2 e_2 + T_1 e_1}{e_1 + e_2}
III- A temperatura no ponto P, ponto próximo à extremidade do reservatório da fonte quente Q é T_ p = frac{T_2 e_2 + T_ 1 e_1}{e_2 + e_1}. CORRETA. Vide afirmativa anterior.
Gabarito: LETRA B.