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terça-feira, 7 de novembro de 2017

"Somos Físicos" Simulado Calorimetria: Dilatação Térmica -Propagação de Calor (Resumão)

A calorimetria é o ramo da física que se ocupa dos fenômenos decorrentes da transferência dessa forma de energia chamada calor.
Temperatura Temperatura é uma grandeza física que está associada de alguma forma ao estado de movimentação ou agitação das moléculas. Quanto mais quente está o corpo, maior é a agitação molecular e quanto mais frio, menor a agitação.
A temperatura pode ser medida em três escalas termométricas. Celsius, Fahrenheit e Kelvin. A conversão entre essas escalas pode ser feita pelas seguintes relações matemáticas:
Calor 
O calor nada mais é do que o trânsito da energia térmica de um corpo para outro. Quando os dois corpos chegam à mesma temperatura, dizemos que estão em equilíbrio térmico e a temperatura final é chamada de temperatura de equilíbrio.
Capacidade térmica e calor específico sensível Os corpos e as substâncias na natureza reagem de maneiras diferentes quando recebem ou cedem determinadas quantidades de calor. Alguns esquentam mais rápido que os outros. É a isso que chamamos de capacidade térmica. Mas a capacidade térmica não é uma propriedade da substância, ela depende também da massa e do calor específico para ser calculada e pode ser resumida na seguinte fórmula:
Considerando c o calor específico sensível da substância de que o corpo é constituído. 
O calor específico pode ser definido como a capacidade térmica por unidade de massa e é uma característica da substância de que o material é feito.
A capacidade térmica pode ser medida usualmente em cal/ºC e no Sistema Internacional em J/K, assim como o calor específico é medido usualmente em cal/gºC e, no Sistema Internacional em J/ kg K.
Calor sensível Uma das conseqüências das trocas de calor, é a variação de temperatura do corpo. Para calcular essa quantidade de calor trocado é só usar a equação fundamental da calorimentria: 
Traduzindo: o calor sensível depende da massa (m), do calor específico (c) e da variação de temperatura do corpo (ΔT).
A propagação do calor O calor é uma forma de energia que se propaga do corpo mais quente para o mais frio. Esse processo pode ocorrer por três mecanismos diferentes.: condução, convecção e a irradiação.
Condução Predominante nos sólidos, necesse processo a transmissão de energia se dá molécula a molécula. Em alguns corpos, esse processo ocorre muito rapidamente, como por exemplo, os metais, e por isso eles são chamados de condutores térmicos, e em outros ocorre o contrário, como por exemplo, a madeira e a água. Esses são chamados de isolantes térmicos.
Convecção Exclusiva dos fluidos, ou seja, líquidos e gases, a transmissão de calor por convecção ocorre por meio da movimentação de massa fluida.
Irradiação A irradiação é pode ocorrer no vácuo e também em meios materiais, e a sua transmissão é feita por intermédio de ondas eletromagnéticas. As ondas transmitem as energias que são absorvidas pelos pelos corpos. Essa absorção provoca uma alteração no estado de movimentação das moléculas modificando, assim, a sua temperatura. 

1) O coeficiente de dilatação volumétrica do ferro é 34 x 10-6 oC-1 e o invar (liga de ferro e níquel) é 27 x 10-6 oC-1.Um parafuso de ferro está emperrado em uma porca de invar. Para soltar o parafuso, deve-se: 
a) aquecer igualmente as duas peças. 
b) resfriar igualmente as duas peças. 
c) aquecer somente o parafuso. 
d) resfriar a porca e aquecer o parafuso. 
e) aquecer somente a porca. 


Letra E:aquecer somente a porca, pois ela dilatará e soltará o parafuso. 

Como os coeficientes são próximos, se aquecermos ambas, ambas dilatarão. Se resfriar a porca, ela contrairá e será mais difícil ainda soltar, se aquecer o parafuso ele dilatará e será mais difícil soltá-lo, se esfriar ambos, ambos encolherão, ou seja, nada feito. 

2) As tampas metálicas dos recipientes de vidro são mais facilmente removidas quando o conjunto é imerso em água quente. Tal fato ocorre porque?

Isto ocorre por 2 motivos: Pressão negativa e dilatação do metal da tampa. 

Pressão negativa: Muitas vezes o produto é embalado numa temperatura um pouco maior do que a do ambiente atual. Isto faz com que se crie um vácuo, ou pressão negativa, o que dificulta a retirada da tampa. 

Esta pressão negativa é muito comum acontecer com palmitos. Eles são cozidos diretamente dentro do proprio vidro, e por pressa acabam fechando o vidro antes dele se resfriar totalmente, causando dai esta pressão negativa. 

Dilatação do metal: Quando você aquece a tampa metálica por agua quente ou fogo direto, faz a tampa se dilatar ,muito mais que o vidro, o que facilita a sua retirada da tampa. 

Ah em tempo... Quando tem uma tampa difícil de sair eu coloco diretamente sobre um bocal do fogão, ligo o fogo, espero 10 segundos, apago o fogo, e abro o vidro com a ajuda de um pano... Nem precisa colocar o vidro todo na agua quente não.

3) Os corpos ocos homogêneos: 
a) dilatam-se menos que os maciços de mesmo volume. 
b) dilatam-se mais que os maciços de mesmo volume. 
c) não se dilatam. 
d) dilatam-se de modo que o coeficiente de dilatação em cada direção é proporcional à extensão vazia. 
e) dilatam-se como se fossem maciço.

Letra E:dilatam-se como se fossem maciços, basta verificar pela fórmula: 

ΔV=Vo.α³.Δθ(ΔV=variação de volume,Vo=volume inicial,α=coeficiente de variação linear,Δθ=variação de temperatura) 

Assim a variação só depende do volume,do coeficiente de dilatação linear e da variação de temperatura, como nada disso muda entre os ocos e os maciços a variação é a mesma.

4) Por que um vidro pirex apresenta maior resistência ao choque térmico que o vidro comum?
Resposta:
O vidro Pirex apresenta maior resistência ao choque térmico do que o vidro comum porque tem baixo 
coeficiente de dilatação térmica e é temperado.

5) Uma barra metálica sofre um acréscimo de 0,06% em relação ao seu comprimento inicial quando sua temperatura sofre uma variação de 40o C. O coeficiente de dilatação linear médio desse metal, nesse intervalo de temperatura é, em oC-1.

6.10-²/10² = 1.c.40 

c = 6.10^-4 / 40 

c = 0,15.10^-4 ou 1,5.10^-5 ºC-¹ 

6) Um rebite de 2,000 mm de diâmetro deve ser introduzido num orifício de 1,996 mm de diâmetro ambos medidos a 0o C. Sabendo-se que o coeficiente de dilatação linear do metal de que é feito o rebite é 25 x 10 - 6 oC-1, isto pode ser feito resfriando-se apenas o rebite a uma temperatura, em oC, de: 
a) - 40 
b) - 80 
c) - 100 
d) - 120 
e) - 200

Letra C
2000x1996 = 3.992.000 mm 
3.992.000/25x10 -6 = 
100 x (- 1ºC) = 
-100 
1)  (Mackenzie-SP) Uma chapa plana de uma liga metálica de coeficiente de dilatação linear 2 x 10-5 oC-1 tem área Ao à temperatura de 20o C. Para que a área dessa placa aumente 1%, devemos elevar sua temperatura para:
O coeficiente de dilatação linear vale 
α = 2 x 10^-5 °C-¹ 

O coeficiente de dilatação superficial é o dobro do linear 
B = 2α = 2 x 2 x 10^-5 = 4 x 10^-5 °C-¹ 

A temperatura inicial vale 
θo = 20°C 

A variação da área é 1% da área inicial, ou seja de Ao. Isto se escreve assim: 

ΔA = 1%Ao = 0,01Ao 

Usando a formula da dilatação superficial: 
ΔA = AoBΔθ 
0,01Ao = Ao x 4 x 10^-5 x Δθ (Ao vai embora) 
10-¹ = 4 x 10-5 Δθ 

Δθ = 0,25 x 10³ = 250 °C 
θ - θo = 250 
θ - 20 = 250 
θ = 250 + 20 
θ = 270 °C

2) Um cubo de alumínio com coeficiente de dilatação linear de 2 x 10-5 oC-1 tem aresta de dimensão de 10 cm quando à temperatura de 0o C. O volume do cubo a 100o C será, em cm3, de: 

α = 2 x 10^-5 °C-¹ 
aresta = 10 cm ... (To = 0°C) 
V = ? .... (T = 100°) 

Inicialmente vamos determinar o volume do cubo. 
Um cubo possui todos os lad iguais, sendo a aresta do cubo 10 cm, seu volume será: 

Vo = 10 x 10 x 10 = 10³ cm³ 

Está ocorrendo uma dilatação volumétrica, no entanto a questão dá o coeficiente de dilatação linear. Para determinar o coeficiente de dilatação volumétrica (γ), fazemos: 

γ = 3 x α = 3 x 2 x 10^-5 = 6 x 10^-5°C-¹ 

A dilatação volumétrica é: 
ΔV = Vo γ ΔT 
ΔV = 10³ x 6 x 10^-5 x (100 - 0) 
ΔV = 6 x 10^-2 x 100 
ΔV = 6 cm³ 


O volume final do cubo será seu volume inicial mais a dilatação sofrida 
V = ΔV + Vo 
V = 6 + 1000 
V = 1006 cm³ 

3) Um posto de gasolina recebeu 2000 litros desse líquido a 30º C. Quando vendeu, a temperatura média da gasolina havia baixado para 20º C. Sendo 1,1 . 10-3 ºC-1 o coeficiente de dilatação volumétrica média da gasolina, o prejuízo do posto, foi, em litros igual a 
a) 989 
b) 98,9 
c) 9,89 
d) 2,2 
e) 22 



Dados: 
Lo - 200 
α - 1,1.10-3 
ΔТ - 30 - 20 =10 
-------------------------- 
ΔL - Lo x α x ΔТ 
ΔL- 200x1,1.10-3x10 (mutiplica o 200 por 10) 
ΔL - 2000x1,1.10-3 (mutiplica o 2000 por 11) 
ΔL - 22000.10-3 
ΔL - 22 

Letra E

4) (PUCC-SP) Uma esfera de aço tem um volume de 100 cm3 a 0 °C. Sabendo que o coeficiente de dilatação linear do aço é de 12 . 10-6 ° C-1 , o acréscimo de volume sofrido por essa esfera, quando aquecida a 500 °C, em cm3, é de:
/\L = Lo * alpha * /\T

/\L = 1000 * 11 * 10^-6 * 30

/\L = 330 * 10^-3

/\L = 0,33 metros

Comprimento Final = 1000,33m

 /\V = Vo * gama * /\T

100cm³ = 100 * 10^-6 m³ = 10-4m³

/\V = 10^-4 * 12*10^-6 * 5*10^2

/\V = 60 * 10^-8

/\V = 6 * 10^-7 m³

/\V = 6 * 10^-7 * 10^6 cm³

/\V = 6 * 10^-1 cm³

/\V = 0,6cm³

Volume Final da esfera = 100,6cm³

5) (Fatec-SP)Uma barra de aço de 5,000 m, quando submetida a uma variação de temperatura de 100 °C, sofre uma variação de comprimento de 6,0 mm. 0 coeficiente de dilatação linear do alumínio é o dobro do aço. Então, uma barra de alumínio de    5,000 m, submetida a uma variação de 50 °C, sofre uma dilatação de:
Primeiro devemos analisar se todas as medidas estão no sistema internacional, ou se estão na mesma medida, no caso da variação do comprimento devemos transformar para metro, portanto: 
ΔL = 6mm ou 6.10^-3 m 

Agora, segundo diz a questão: 
I)αal = 2.αaço 
Segundo a fórmula da dilatção, temos: 
II)ΔL = Lo.α.ΔT 
α = ΔL/Lo.ΔT 

Substituindo II em I, temos: 

ΔLal/Lo.ΔT = 2.ΔLaço/Lo.ΔT 
ΔLal/50.50 = 2.6.10^-3/5.100 
ΔLal/250 = 12.10^-3/500 
ΔLal = 3000.10^-3/500 
ΔLal = 6.10^-3 

6) (FEI-SP) Um mecânico deseja colocar um eixo no furo de uma engrenagem e verifica que o eixo tem diâmetro um pouco maior que o orifício na engrenagem. O que você faria para colocar a engrenagem no eixo? 
a) aqueceria o eixo. 
b) resfriaria o eixo e aqueceria a engrenagem. 
c) aqueceria a engrenagem e o eixo. 
d) resfriaria a engrenagem e o eixo. 
e) resfriaria a engrenagem e aqueceria o eixo. 

7) (Anhembi-Morumbi-SP) A dilatação térmica está presente nas situações mais inesperadas. Leia o texto seguinte e responda a pergunta final. "O Cristo redentor, estátua símbolo da cidade do Rio de Janeiro. recebe sol pela frente no período da manhã." Com base nessa informação, podemos dizer que: 
a) pela manhã a estátua se inclina perra a frente a fim de cumprimentar o turista. 
b) pela manhã a estátua se inclina para trás devido ao aquecimento sofrido na parte frontal. 
c) ao entardecer a estátua se inclina para trás. 
d) ao entardecer a estátua se inclina lateralmente para não cair. 
e) a estátua não se inclina porque o fluxo de calor ocorre instantaneamente.

1) O uso de chaminés para escape de gases quentes provenientes de combustão é uma aplicação do processo térmico de:
a) radiação 
b) condução 
c) absorção 
d) convecção 
e) dilatação

Letra D:O uso de chaminés para escape de gases quentes provenientes de combustão é uma aplicação do processo térmico de convecção, pois neste caso, o ar mais frio (fluido externo) é mais denso, portanto tende a entrar pela chaminé, empurrando o ar quente para fora, produzindo circulação do ar. 

2)  Selecione a alternativa que supre as omissões das afirmações seguintes:

I - O calor do Sol chega até nós por _________________________.
II - Uma moeda bem polida fica __________ quente do que uma moeda revestida de tinta preta, quando ambas são expostas ao sol.
III - Numa barra metálica aquecida numa extremidade, a propagação do calor se dá para a outra extremidade por ________________________.
a) radiação - menos - convecção.
b) convecção - mais - radiação.
c) radiação - menos - condução.
d) convecção - mais - condução.
e) condução - mais - radiação.
Resposta:
 I – O calor do Sol chega até nós por radiação, pois entre o Sol e a Terra não existe meio material. Assim, não é possível que o calor se propague de outra forma;
II – Uma moeda bem polida fica menos quente do que uma moeda revestida de tinta preta, quando ambas são expostas ao sol. Isso porque uma moeda polida refletirá a energia que recebe, enquanto a moeda revestida de tinta preta absorverá o calor que recebe;
III – Em uma barra metálica aquecida em uma extremidade, a propagação do calor ocorre para a outra extremidade por condução, uma vez que, em meios sólidos, o calor somente se propaga por meio da condução.

3) (PUC-RS) No inverno, usamos roupas de lã baseados no fato de a lã: 
a) ser uma fonte de calor.
b) ser um bom absorvente de calor.
c) ser um bom condutor de calor.
d) impedir que o calor do corpo se propague para o meio exterior.
e) n.d.a

Resposta:
Letra D:As roupas de lã são utilizadas porque evitam a perda de calor do corpo para o meio externo. Isso ocorre porque a lã possui “espaços vazios”, que são os furinhos que podemos observar nas roupas feitas por esse material. Esses espaços são ocupados por ar, que funciona como um excelente isolante térmico.

4) Julgue as afirmações a seguir:
I – A transferência de calor de um corpo para outro ocorre em virtude da diferença de temperatura entre eles;
II – A convecção térmica é um processo de propagação de calor que ocorre apenas nos sólidos;
III – O processo de propagação de calor por irradiação não precisa de um meio material para ocorrer.
Estão corretas:
a) Apenas I
b) Apenas I e II
c) I, II e III
d) I e III apenas;
e) Apenas II e III.
Resposta:
As afirmações I e III são corretas;
A afirmativa II está incorreta porque a convecção térmica ocorre apenas em líquidos e gases, que são fluidos. Nos sólidos, a propagação de calor ocorre por condução.

5) Sobre os processos de propagação de calor, analise as alternativas a seguir e marque a incorreta:
a) a convecção é observada em líquidos e gases.
b) a condução de calor pode ocorrer em meios materiais e no vácuo.
c) o processo de propagação de calor por irradiação pode ocorrer sem a existência de meio material;
d) o calor é uma forma de energia que pode se transferir de um corpo para outro em virtude da diferença de temperatura entre eles.
e) O processo de convecção térmica consiste na movimentação de partes do fluido dentro do próprio fluido em razão da diferença de densidade entre as partes do fluido.
Resposta:
Letra B: A condução é um processo de propagação de calor que pode ocorrer somente em meios sólidos
1. (U.F.Santa Maria-RS) Calor é uma: 
a) forma de energia transferida devido à diferença de temperatura. 
b) medida da energia interna de um corpo. 
c) forma de energia atribuída aos corpos quentes. 
d) forma de energia inexistente nos corpos frios. 
e) n.r.a 

2. (F.M.ABC-SP) Dois corpos sólidos receberam a mesma quantidade de calor e sofreram o mesmo aumento de temperatura. Podemos concluir que os corpos têm mesmo(a): 
a) massa. 
b) densidade. 
c) capacidade térmica. 
d) calor específico. 
e) coeficiente de dilatação. 

3. (UFRS) A quantidade de calor necessária, em média, para elevar de 1o C a temperatura de 1 g de uma substância é igual, numericamente, à grandeza: 
a) capacidade térmica. 
b) equivalente térmico. 
c) calor de fusão. 
d) calor latente. 
e) calor específico. 

4. (FEI-SP) Quando dois corpos de tamanhos diferentes estão em contato e em equilíbrio térmico, e ambos isolados do meio ambiente, pode-se dizer que: 
a) o corpo maior é o mais quente. 
b) o corpo menor é o mais quente. 
c) o corpo maior cede calor para o corpo menor. 
d) não há troca de calor entre os corpos. 
e) o corpo menor cede calor para o corpo maior. 

5. (UFRS) Para que dois corpos possam trocar calor é necessário que: 
I. estejam a diferentes temperaturas. 
II. tenham massas diferentes. 
III. exista um meio condutor de calor entre eles. 
Quais são as afirmativas corretas? 
a) Apenas I e III. 
b) Apenas I. 
c) Apenas I e II. 
d) Apenas II. 


1) (Fuvest-SP) Um atleta envolve sua perna com uma bolsa de água quente contendo 600 g de água à temperatura inicial de 90 °C, Após 4 h ele observa que a temperatura da água é de 42 °C, A perda média de energia da água por unidade de tempo é: (Dado: c = 1,0 cal/g °C.)
Pela fórmula do calor sensível : 

Q=m.c.Δt 

Q= calor 
m= massa 
c = calor especifico 
Δt = Variação de temperatura ( Tf-To) 

Q=600.1.(42-90) 

Q= -28.800cal 

O negativo indica que a água perdeu calor. 

Ele perdeu essa quantidade de calor em 4h ( 14.400s) , em 1s perderá : 

28.800 ----------- 14.400s 
x ----------- 1s 

x = 28.800/14.400 

x= 2cal 

Portanto a perda média vale 2 cal/s 

2) (PUCSP) a experiencia de James P. Joule determinou que é necessario transformar aproximadamente 4,2 J de energia para se obter 1 cal. numa experiencia similar, deixava-se cair um corpo de massa de 50 kg, 30 vezes de certa altura. o corpo estava preso a uma corda, de tal maneira que, durante a sua queda, um sistema de pás era acionado, entranso em rotaçao e agitando 500 gramas de agua contida num recipiente isolado termicamente. o corpo caía com velocidade praticamente constante. constatava-se, atraves de um termometro adaptado ao aparelho, uma elevaçao total na temperatura da agua de 14 graus. determine a energia potencial total perdida pelo corpo e a altura de que estava caindo. despreze os atritos nas polias, nos eixos e no ar. 
(dados: calor especifico da agua: c = 1 cal/g.ºC e g = 9,8 m/s²)Toda a energia potencial gravitacional foi convertida em calor , por isso devemos descobrir a quantidade de calor que foi cedido a água. 

Pela fórmula do calor sensível: 

Q=m.c.Δt 

Q=500.1.14 

Q=7000cal 

Ou seja após o corpo despencar 30x , cedeu a água 7000cal 

Para converter em Joules: 

7000 x 4,2 = 29400 J 

Resposta : Perda total de energia gravitacional : 7000 cal ou 29400J


3)(Fesp–PE) Um calorímetro de alumínio de 200g (c = 0,22 cal/g.ºC) contém 120g de água a 96°C. A massa de alumínio a 10ºC que deve ser introduzida no calorímetro para resfriar o conjunto a 90ºC é: 
a) 56g 
b) 28g 
c) 5,6g 
d) 112g 
e) 41 g

Dados: 

Calorímetro: 
m = 200g 
c = 0,22 cal/g.ºC 
To = 96°C 
Tf = 90°C 
ΔT = Tf – To = -6°C 

Água: 
m = 120g 
c =1 cal/g.ºC 
To = 96°C 
Tf = 90°C 
ΔT = Tf – To = -6°C 

Bloco de alumínio: 
m = m 
c = 0,22 cal/g.ºC 
To = 10°C 
Tf = 90°C 
ΔT = Tf – To = 80°C 

No equilíbrio térmico: 

ΣQ = 0 (Q = mcΔT) 

200. 0,22 . (-6) + 120 . 1. (-6) + m.0,22.80 = 0 

-264 –720 + 17,6m = 0 

17,6 m = 264 + 720 

17,6m = 984 

m = 984 / 17,6 

4) (Cesgranrio-RJ) Numa casa de praia, deseja-­se aquecer 1,0 litro de água, num recipiente termicamente isolado, por meio de um aquecedor elétrico de 420 W. A água foi introduzida no recipiente a 10 °C. Sabendo-se que o calor específico da água é igual a 4,2 . 103 J/kg °C, o tempo necessário para a água começar a ferver será aproximadamente de:
P = 420 W 
c = 4,2 . 10^3 J/kg ºC 
V = 1 L 
To = 10 ºC 
Tf = 100 ºC (a água precisa ferver) 

Como a densidade da água é 1 g/mL 
d = m/V 
1 g/mL = m / 1000 mL 
m = 1000 g = 1 kg 

Q = m.c.T 
Q = 1 kg . 4,2 . 10^3 J/kg ºC . (100 ºC - 10 ºC) 
Q = 378 000 J 

P = Q / t 
420 W = 378 000 J / t 
t = 900 s ou 15 minutos 

5) Se, por economia, abaixarmos o fogo sob uma panela de pressão logo que se inicia a saída de vapor pela válvula, de forma simplesmente a manter a fervura, o tempo de cozimento:

a) será maior porque a panela “esfria”. 
b) será menor, pois diminui a perda de água. 
c) será maior, pois a pressão diminui. 
d) será maior, pois a evaporação diminui. 
e) não será alterado, pois a temperatura não varia.

Letra E:A temperatura se mantém igual porque, apesar de a fonte de calor ter diminuído, após a fervura o interior da panela está sob uma pressão muito maior do que antes da fervura. 
Como aumento de pressão gera aumento de temperatura este compensa a diminuição da fonte de calor e a temperatura se mantém igual.

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