Questões Sobre Termologia - Física - concurso
1951) Considere-se uma barra de aço com 10 cm de comprimento, 6 cm2 de área de seção transversal retangular e cujas extremidades sejam submetidas a temperaturas constantes e diferentes, 20 ℃ em uma extremidade e 130 ℃ em outra. Nessa hipótese, sabendo-se que a condutividade térmica do aço vale 1,1 × 10−2 kcal ∙ m ∙ ℃ ∙ s−1, após alcançado o estado estacionário, o valor do fluxo de calor na barra, devido ao processo de transmissão de calor por condução, é
- A) inferior a 1 cal/s.
- B) superior ou igual a 1 cal/s e inferior a 10 cal/s.
- C) superior ou igual a 10 cal/s e inferior a 100 cal/s.
- D) superior ou igual a 1.000 cal/s.
- E) superior ou igual a 100 cal/s e inferior a 1.000 cal/s.
A alternativa correta é letra B) superior ou igual a 1 cal/s e inferior a 10 cal/s.
O fluxo de calor que flui por condução num material é dado por:
Phi=frac{KADelta{T}}{d}
Onde K é a condutividade térmica do material, A é a área por onde flui o fluxo de calor e Delta{T} é o diferencial de temperatura entre os diferentes lados separados pelo material isolante e d é a espessura da placa. Então, com as informações dadas no problema, teremos o seguinte fluxo de calor:
Phi_1=frac{1,1times10^{-2}times10^{3}times6times10^{-4}times(130-20)}{0,1}
Phi_1=7,26,cal/s
Gabarito: B
1952) O corpo humano perde para o ambiente uma potência média de 100,0W na forma de calor. Esse valor fica 30 vezes maior quando o corpo está submerso em água, podendo causar hipotermia. Os sintomas da hipotermia vão desde tremores leves, mãos e pés dormentes, cansaço excessivo e lentidão nos movimentos. Esses sintomas se iniciam quando a temperatura corporal fica inferior a 35°C e pode ser fatal a partir de 21°C. Determine o intervalo de tempo em que uma pessoa de 75kg, inicialmente com temperatura de 37°C, passa a ter os primeiros sintomas de hipotermia quando estiver submersa em água. (Considere o calor específico do corpo humano 1,1cal/g°C e 1,0cal = 4,0J.)
- A) 3 minutos e 30 segundos.
- B) 3 minutos e 20 segundos.
- C) 3 minutos e 40 segundos.
- D) 2 minutos.
- E) 1 minuto e 30 segundos.
A alternativa correta é letra C) 3 minutos e 40 segundos.
A potência de uma fonte térmica é dada por:
P = dfrac{Q}{Delta t}
Isolando o tempo (Delta t) temos:
Delta t = dfrac{Q}{P} tag{1}
Sabendo que na água a potencia média de perda de calor para o ambiente é 30 vezes maior, podemos encontrar a potência de perda de calor na água:
P = 30times 100
P = 3,000mbox{ W}
Logo, para encontrarmos o tempo que a pessoa levará para baixar sua temperatura e passar a ter os primeiros sintomas de hipotermia, devemos encontrar a quantidade de calor (Q) que essa pessoa irá perder para o ambiente.
Sendo a massa da pessoa m = 75, kg = 75, 000, g, o calor específico do corpo humano c = 1,1 ,cal/g ^circ C, a temperatura corporal inicial theta_i = 37^circ C e a temperatura final, ou seja, a temperatura a partir da qual a pessoa inicia a apresentar os sintomas de hipotermia, theta_f = 35^circ C, vamos aplicar a equação para o cálculo da quantidade de calor:
Q = m ,c, (theta_f-theta_i)
Q = 75,000 cdot 1,1 cdot (35-37)
Q = -165,000 mbox{ cal}
Como color{brown}{1 mbox{ cal} = 4,0 mbox{ J}}, temos:
Q = - 165,000color{brown}{mbox{ cal}} = - 165,000 times color{brown}{4 mbox{ J}}
Q = - 660,000mbox{ J}
Onde o sinal negativo representa que este calor deve ser perdido pela fonte (corpo humano) para que a temperatura abaixe e não entrará no cálculo do tempo.
Voltando para a equação (1):
P = dfrac{Q}{Delta t}
Delta t = dfrac{660,000}{3,000}
Delta t = 220mbox{ s}
Para encontrarmos o tempo em minutos, devemos dividir por 60, então:
Delta t = 220 div 60
bbox[8px, border: 2px solid black]{color{#3498db}{Delta t = 3mbox{ min}, 40mbox{ s}}}
O intervalo de tempo que a pessoa iniciará a apresentar os primeiros sintomas de hipotermia, quando submersa na água, será de 3 minutos e 40 segundos.
1953) Durante um incêndio, a temperatura no interior da cozinha de uma residência atingiu 500°C. Em um cômodo ao lado, há uma estante contendo livros, e a temperatura mínima em que o papel queima é em torno de 200°C. Considerando que a condutividade térmica média da parede seja 0,9 J.s-1.m-1.K-1 e sua espessura 15,0cm, sendo suas dimensões 3,0m por 4,0m, quando os livros começarem a queimar e a temperatura no cômodo dos livros se estabilizar em 200°C, o fluxo de calor através dessa parede será de
- A) 2160W.
- B) 21600W.
- C) 2000J/s.
- D) 21600J.
- E) 2000cal.
A alternativa correta é letra B) 21600W.
A lei de Fourier para condução de calor trata da condução de calor através de materiais homogêneos e em regime estacionário, ou seja, quando a temperatura dos dois lados do material permanece constante.
O fluxo de calor (Phi) é definido como a razão entre a quantidade de calor transferida (Q) pelo tempo (Delta t)
Phi = dfrac{Q}{Delta t}
Sendo a quantidade de calor dada no (SI) em joule e o tempo em segundos, a unidade de Phi será joule por segundo (J/s) que também é chamada de watt (W).
De acordo com a Lei de Fourier, o fluxo de calor (Phi) é dado por:
Phi = dfrac{kappa A (theta_2 - theta_1)}{e}
Onde (kappa) é a condutividade térmica do material, (A) a área de secção transversal, (e) a espessura do material e (theta_2 - theta_1) a diferença de temperatura entre os dois lados do material sendo theta_2 gt theta_1.
Vamos fazer um esquema do problema.
Sendo a parede retangular, sua área será
A = b times h
A = 4 times 3
A = 12mbox{ m} ^2
Aplicando a equação para o cálculo de (Phi):
Phi = dfrac{kappa A (theta_2 - theta_1)}{e}
Phi = dfrac{0,9 cdot 12 (500-200)}{0,15}=dfrac{cancelto{6}{0,9} cdot 12 cdot 300}{cancel{0,15}}
Phi = 72 cdot 300
bbox[8px, border: 2px solid black]{color{#3498db}{Phi = 21,600 mbox{ W}}}
Portanto o fluxo de calor através da parede será de 21 600 W.
1954) A figura a seguir mostra a temperatura da tigela de uma panela de arroz elétrica em função do tempo de cozimento. Ligando-se a panela, uma resistência elétrica aumenta a temperatura da tigela contendo arroz e água até que a água entre em ebulição. Depois que toda a água é consumida ─ por evaporação e por absorção pelo arroz ─, a temperatura da tigela volta a subir, o que é detectado por um sensor, e a panela é então desligada. A potência elétrica dissipada pela resistência elétrica, na forma de calor, é P = 400 W, constante durante todo o cozimento. Quanto vale a energia elétrica dissipada desde o início do processo até que toda a água seja consumida?
- A) 13,3 kJ.
- B) 240 kJ.
- C) 720 kJ.
- D) 2000 kJ.
A alternativa correta é letra C) 720 kJ.
Questão que envolve um pouco de interpretação para resolver. Reparem que quando toda a água evapora (t = 30 min) o sensor faz com que a panela desligue.
Logo,
Delta E = P times Delta t
Como o tempo está em minutos,
Delta E = 400 times 30 times 60 = 720.000 = 720 , KJ
Gabarito: LETRA C.
1955)
A autoclave, um equipamento de esterilização de objetos por meio de vapor de água em alta temperatura e pressão, foi inventada por Charles Chamberland, a pedido de Louis Pasteur. A figura a seguir mostra a curva da pressão máxima de vapor da água em função da temperatura. Para temperaturas e pressões do lado esquerdo da curva, a água encontra-se na fase líquida; do lado direito, a água está na fase de vapor. Nos pontos sobre a curva, as fases líquida e de vapor coexistem. A pressão de funcionamento de uma determinada autoclave é p = 3,0 atm. Se toda a água está na fase de vapor, o que se pode dizer sobre a sua temperatura theta?
Dado: 1,0atm = 100 kPa.
- A) theta pode ter qualquer valor maior que 100 ºC.
- B) theta pode ter qualquer valor maior que 100 ºC e menor que 133 ºC.
- C) theta pode ter qualquer valor menor que 100 ºC ou maior que 133 ºC.
- D) theta pode ter qualquer valor maior que 133 ºC.
A alternativa correta é letra D) theta pode ter qualquer valor maior que 133 ºC.
Observem que para a pressão dada de 300 KPa, temos que a temperatura oscila entre 130 e 135 graus.
Como toda água está em fase de vapor, apenas o gráfico a direita dessa temperatura interessa. Logo, pode ter qualquer valor maior que 133 graus.
Não precisa ter um olho cirúrgico para enxergar os 133 graus, basta ver que as outras alternativas destoam muito dessa faixa, jogando para os 100 graus celius (o que na pressão dada ainda teríamos líquido).
Gabarito: LETRA D.
1956) O fogo pode se alastrar pelo contato da chama com outros combustíveis, por meio do deslocamento de partículas incandescentes e pela ação do calor, o qual é uma forma de energia que se propaga por meio de três processos, que são: condução, convecção e irradiação.
(Disponível em: http://www.sgc.goias.gov.br. Adaptado)
Com relação aos processos de propagação do calor, é correto afirmar que
- A) todos podem ocorrer no vácuo.
- B) nenhum pode ocorrer no vácuo.
- C) apenas a condução pode ocorrer no vácuo.
- D) apenas a irradiação pode ocorrer no vácuo.
- E) apenas a convecção e a condução podem ocorrer no vácuo.
A alternativa correta é letra D) apenas a irradiação pode ocorrer no vácuo.
Sobre os três processos de propagação de calor sabemos:
- Na condução, a energia térmica se propaga (é conduzida) através das partículas do material;
- A convecção ocorre em fluídos, onde devido à diferença de densidade entre porções aquecidas do próprio fluído, a energia térmica é propagada;
- A irradiação é a transmissão de energia térmica através de ondas eletromagnéticas.
Dos processos de propagação de calor tanto a condução quanto a convecção dependem de um meio material para ocorrer, sendo assim, não podem ocorrer no vácuo.
Como a irradiação se dá através de ondas eletromagnéticas (como por exemplo: luz visível, ultravioleta, infravermelho, ondas de rádio etc) e as ondas eletromagnéticas se propagam no vácuo, este é o único processo de propagação de calor que pode ocorrer no vácuo.
Analisando as alternativas:
a) todos podem ocorrer no vácuo.
Alternativa errada. A condução e a convecção necessitam de um meio material para ocorrer.
b) nenhum pode ocorrer no vácuo.
Alternativa errada. A irradiação pode ocorrer no vácuo.
c) apenas a condução pode ocorrer no vácuo.
Alternativa errada. Apenas a irradiação pode ocorrer no vácuo.
d) apenas a irradiação pode ocorrer no vácuo.
Alternativa correta.
e) apenas a convecção e a condução podem ocorrer no vácuo.
Alternativa errada. Apenas a irradiação pode ocorrer no vácuo, a condução e a convecção necessitam de um meio material para ocorrer.
Portanto com relação aos processos de propagação do calor, é correto afirmar que apenas a irradiação pode ocorrer no vácuo.
1957) A dilatação da água apresenta um comportamento diferente da maioria das substâncias. O gráfico ilustra a variação da densidade da água com a temperatura.
(Disponível em: https://cref.if.ufrgs.br)
Quando certa quantidade de água é resfriada de 20 °C até 6 °C, a massa dessa quantidade de água
- A) aumenta e o volume diminui.
- B) aumenta e o volume permanece constante.
- C) diminui e o volume aumenta.
- D) permanece constante e o volume aumenta.
- E) permanece constante e o volume diminui.
A alternativa correta é letra E) permanece constante e o volume diminui.
Inicialmente temos que ter em mente que quando pegamos uma porção determinada de uma substância, no caso a água, a massa dessa porção não sofrerá alteração de maneira nenhuma. Por isso a massa é considerada uma grandeza intrínseca da matéria, ela depende apenas da quantidade de matéria que existe naquela porção.
Sendo assim, podemos afirmar que a massa da água permanecerá constante.
Através da analise das alternativas, ficamos entre as alternativas (d) e (e), e para responder precisamos entender o que ocorrerá com o volume dessa quantidade de água.
Vamos analisar o gráfico na faixa de temperaturas onde ocorre o resfriamento (entre 20ºC e 6ºC).
Podemos ver que entre as temperaturas indicadas, durante o resfriamento, ocorre um aumento na densidade da água. Sendo a densidade definida como
d =dfrac{mbox{massa}}{mbox{volume}}.
Como a massa da porção de água é constante, para que a densidade varie, o volume tem que variar. De acordo com a relação acima podemos ver que a densidade é inversamente proporcional ao volume, logo, se a densidade está aumentando, podemos afirmar que o volume está diminuindo.
Sendo assim, durante o resfriamento indicado de uma certa quantidade de água, a massa dessa quantidade de água permanecerá constante e o volume diminuirá.
1958) No início de um dia, uma piscina de fundo plano e horizontal continha água a 15 ºC, até o nível de 1 cm abaixo da borda. Nesse dia, quando a água foi aquecida a 35 ºC, a piscina ficou completamente cheia, como mostra a figura.
Sabendo que a dilatação volumétrica sofrida por um líquido é diretamente proporcional ao volume inicial desse líquido e à variação de temperatura sofrida por ele, e considerando que o coeficiente de dilatação volumétrica da água nessa faixa de temperatura é 2 × 10– 4 ºC–1, a profundidade H dessa piscina é de, aproximadamente,
- A) 2,0 m.
- B) 1,5 m.
- C) 2,5 m.
- D) 1,0 m.
- E) 0,5 m.
A alternativa correta é letra C) 2,5 m.
Aplicando diretamente a fórmula de dilatação volumétrica, temos
Delta V = V_0 times alpha times Delta T
Sabemos que volume é altura multiplicado por área (em uma piscina retangular). Logo,
A times 1 = A times h_0 times alpha times Delta T
Como as áreas são iguais, podemos cancelar as duas em cada lado da igualdade.
1 = h_0 times alpha times Delta T
h_0 = dfrac{1}{2 × 10^{-4} times 20}
h_0 = 250 , cm = 2,5 , m
Gabarito: LETRA C.
1959) O calorímetro ideal é um dispositivo adiabático em que a troca de calor ocorre apenas em seu interior, entre os elementos nele inseridos. Em uma prática de laboratório, um laboratorista deseja determinar o calor específico de um pequeno bloco metálico de massa conhecida igual a 100 g. Dessa forma, ele o coloca no interior do calorímetro, a uma temperatura de 160 oC, que já continha 44 g, calor específico 1 cal/goC, a 0 ºC de temperatura, e aguarda o equilíbrio térmico ser estabelecido. Considere o calor específico de alguns metais presentes na tabela a seguir.
Calor específico dos metais
Conhecendo a temperatura de equilíbrio de 32 ºC, o laboratorista, então, inicia os cálculos para determinar o valor do calor específico do metal.
Consultando os dados fornecidos pela tabela, qual foi o metal encontrado por ele?
- A) Ouro.
- B) Cobre.
- C) Alumínio.
- D) Ferro.
- E) Prata.
ESTA QUESTÃO FOI ANULADA, NÃO POSSUI ALTERNATIVA CORRETA
A quantidade de calor recebida ou cedida por uma substância é dada pela seguinte expressão:
Q=mcDelta{T}
Quando dois materiais diferentes trocam calor, a quantidade de calor cedida por um será igual ao calor recebido pelo outro. No caso em questão, o material de maior temperatura é que cederá calor para o de menor temperatura até ocorrer o equilíbrio térmico em 32 ºC.
Q_{cedida}=Q_{recebida}
vert 100times c_{metal}times(32-160)vert=vert 44times 1times(32-0)vert
100times c_{metal}times128=44times32
c_{metal}=frac{11}{100}=0,11
A questão foi anulada. Acreditamos que talvez isso possa ter acontecido porque a banca não mencionou qual era a substância no interior do calorímetro, o que poderia confundir o candidato.
Gabarito do professor: D
Gabarito da banca: ANULADA
1960) O calor e a temperatura são grandezas físicas que fazem parte da nossa rotina, uma vez que estão presentes em diversos contextos do cotidiano. Há, também, a sensação de frio que ocorre em épocas de baixas temperaturas do ambiente. Leia a tirinha a seguir.
Disponível em: http://blogdoxandro.blogspot.com/2011/08/tiras-n1890-garfield-jim-davis.html. Acesso em: 8 jun. 2022.
De acordo com a análise da tirinha, é correto afirmar que o
- A) gato sente frio porque perde muita temperatura rapidamente para o ambiente.
- B) frio entra na casa porque a temperatura do meio externo é menor do que a interna.
- C) dono do gato, por sentir mais calor, tende a entrar em equilíbrio térmico com o meio.
- D) ar quente que sai da fornalha sobe por convecção, por isso ela é instalada no chão.
- E) calor da fornalha é facilmente conduzido pelo tecido do pijama para o corpo do dono.
A alternativa correta é letra D) ar quente que sai da fornalha sobe por convecção, por isso ela é instalada no chão.
Vamos a análise das alternativas:
a) gato sente frio porque perde muita temperatura rapidamente para o ambiente. Falso.
A sensação de frio é uma reação natural do corpo causada pela perda de calor. Quando estamos em um lugar com temperaturas muito baixas, o organismo transfere parte da nossa energia para o ambiente externo.
b) frio entra na casa porque a temperatura do meio externo é menor do que a interna. Falso.
Na realidade, o correto é dizer que o calor sai da casa porque a temperatura do meio externo é menor do que a interna.
c) dono do gato, por sentir mais calor, tende a entrar em equilíbrio térmico com o meio. Falso.
O que ocorre é que como o corpo humano tem uma temperatura em torno de 36oC, há transferência de calor para o meio externo, mas não equilíbrio.
d) ar quente que sai da fornalha sobe por convecção, por isso ela é instalada no chão. Correto.
Convecção é a transferência de calor que ocorre em fluidos (ar, por exemplo) que apresentam diferenças de temperatura em seu conteúdo. Quando é fornecido calor a um fluido, formam-se correntes convectivas, que transmitem o calor até que todo o fluido entre em equilíbrio térmico.
e) calor da fornalha é facilmente conduzido pelo tecido do pijama para o corpo do dono. Falso.
O tecido do pijama funciona como um isolante térmico. A condução de calor para o corpo do dono do gato seria mais fácil sem o isolamento do pijama.