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Aula 07 Física p/ ENEM 2016 Professores: Vinicius Silva, Wagner Bertolini 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 1 de 93 AULA 07: Termologia ± Termometria, calorimetria e processos de propagação do calor. SUMÁRIO PÁGINA 1. Introdução 2 2. Termometria e as Escalas Termométricas 2 3. Calorimetria 9 4. Processos de propagação de calor 20 5. Exercícios Propostos 28 6. Exercícios Comentados 51 7. Gabarito 93 Olá guerreiros! Vamos para a nossa sétima aula, inaugurando a parte de termologia do nosso curso. Força nos estudos e muita atenção nessa aula que é de suma importância para a resolução das questões das provas do ENEM. O crescimento dessa matéria é notável nas provas dos últimos anos, portanto, fiquem ligados! Abraço. Prof. Vinícius Silva. 1. Introdução Olá prezado aluno, Essa aula versará sobre um tema muito importante para você, o tema será a termologia, em suma estudaremos os processos térmicos e as principais propriedades deles. A parte de termologia em nosso curso será dividida e teremos várias aulas sobre esse tema, essa primeira vai 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 2 de 93 versar sobre Termometria, Calorimetria e Processos de propagação do calor. 2. Termometria e as Escalas Termométricas A primeira parte do nosso conteúdo versará sobre a termometria, que, pela etimologia da palavra, cuida do estudo dos termômetros e das medidas de temperatura dos corpos. A medida da temperatura é de suma importância nos processos térmicos, pois são as temperaturas que nos darão muitas informações acerca do comportamento dos gases, bem como das trocas de calor que ocorrem entre corpos cujas temperaturas apresentam valores distintos. Então perceba que é muito importante para você conhecer a medida da temperatura. A temperatura termodinâmica de um corpo está associada ao grau de agitação das moléculas desse corpo. Em poucas palavras, podemos dizer que um corpo a baixa temperatura apresenta pouca agitação molecular, ao passo que um corpo em altas temperaturas apresenta um grau de agitação molecular intenso. Cuidado! Não confunda temperatura com calor, a primeira possui o conceito dado acima, por outro lado o segundo trata-se de uma forma de energia, é o que chamamos de energia térmica em trânsito. Você provavelmente se confunde porque uma coisa leva a outra. Veja. Calor é a energia térmica fluindo de um corpo mais quente para um mais frio, ou seja, de um corpo cuja temperatura é maior que a do outro, que está recebendo o calor. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 3 de 93 É assim que acontece com as sensações de frio e calor. Eu moro no interior do Nordeste em uma cidade em que nos meses de RXWXEUR� H� VHWHPEUR� R� FDORU� p� ³LQIHUQDO´�� DVVLP�� D� WHPSHUDWXUD� GR� FRUSR� eleva-se e para tentar manter a temperatura corporal o nosso corpo elimina líquidos como o suor. O calor é a temperatura do nosso corpo elevando-se por conta do sol de rachar que faz opor aqui. Acontece uma coisa análoga quando colocamos uma cerveja no bom e velho isopor cheio de gelo e a enterramos como se tivéssemos o fazendo na areia da praia. Nesse segundo exHPSOR��D�FHUYHMD�³TXHQWH´�SHUGH�FDORU�SDUD�R�JHOR�H�DVVLP� resfria, diminuindo a sua temperatura. Em todas essas situações podemos afirmar que há variação de temperatura do corpo pela perda ou ganho de calor. Vamos ver os tipos de calor envolvidos na termologia na parte de calorimetria, aqui quero só que você não se confunda com os dois conceitos, o de temperatura e o de calor. 2.1 Escalas de temperatura As escalas de temperatura baseiam-se na comparação. A fixação de uma escala de temperaturas começa com a escolha do termômetro, isto é, de um sistema dotado de uma propriedade que varie 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 4 de 93 regularmente com a temperatura. Essa propriedade chamamos de propriedade termométrica, por exemplo, a medida que aumenta a temperatura de um termômetro clínico, aumenta a altura da coluna de mercúrio em seu interior. A cada valor da propriedade termométrica (altura) corresponderá um único valor da temperatura, isto é, a temperatura é uma função unívoca da propriedade termométrica. Para as escalas termométricas usadas tradicionalmente, os sistemas universalmente escolhidos são: a) sistema gelo ± água sob pressão normal (1 atm), cuja temperatura é aqui denominada ponto de gelo. b) sistema água ± YDSRU� G¶iJXD� VRE� SUHVVmR� QRUmal (1 atm), cuja temperatura é aqui denominada ponto de vapor. Essas temperaturas são também chamadas ³SRQWRV� IL[RV� IXQGDPHQWDLV´ e o LQWHUYDOR� HQWUH� HODV� UHFHEH� R� QRPH� GH� ³LQWHUYDOR� IXQGDPHQWDO´�da escala. Chamamos de escala termométrica a sequência ordenada das temperaturas que definem, em graus, todos os estados térmicos, ordenados dos mais frios aos mais quentes. As escalas estabelecidas atribuindo valores arbitrários aos pontos fixos são denominadas escalas termométricas relativas. Existem três escalas de suma relevância para o ENEM, que vamos iniciar seu estudo a partir de agora. 2.2 A Escala Celsius 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 5 de 93 Os valores atribuídos, nessa escala, para o ponto de fusão e para o ponto de vapor são respectivamente, 0 e 100. O intervalo é dividido em 100 partes, cada uma das quais constitui o grau Celsius (0C). 3RQWR�GR�*HOR��LJG =00C ֜ XG 3RQWR�GR�9DSRU��LJV = 1000C ֜ XV Define-se o grau Celsius como sendo a variação de temperatura que acarreta na propriedade termométrica (X) uma variação igual a 1/100 da variação que sofre esta propriedade quando o termômetro é levado do ponto de gelo ao ponto de vapor (Intervalo Fundamental). Essa escala é muito utilizada na prática do nosso dia a dia e nos dá uma impressão muito boa dos dias quentes e frios. 2.3 A Escala Fahrenheit Os valores atribuídos, nessa escala, para o ponto de fusão e para o ponto do vapor são respectivamente, 32 e 212. O intervalo é dividido em 180 partes, cada uma das quais constitui o grau Fahrenheit (0F). 3RQWR�GR�*HOR��LJG = 32ºF ֜ XG 3RQWR�GR�9DSRU��LJV = 212º ֜ XV Essa escala também é muito utilizada no dia a dia em países como os Estados Unidos da América. Lá eles utilizam essa escala como nós utilizamos a Celsius por aqui. 2.4. Relação entre as escalas Fahrenheit e Celsius. Observe a figura abaixo, na qual podemos observar as duas escalas vistas acima. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física parao ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 6 de 93 Para certo estado térmico, observe a coluna de altura h do termômetro para a qual correspondemos às temperaturas LJC �&HOVLXV��H�LJF (Fahrenheit). 0 32 100 0 212 32 : 32 5 9 C F C F C Fa b C F simplificando F T T T T � q � q � q � q � q Essa fórmula relaciona as duas escalas chamadas de escalas reltivas. 2.5 Variação de temperatura nas escalas Celsius e Fahrenheit Observe a figura abaixo na qual temos as variações de temperatura representadas nas respectivas escalas. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 7 de 93 A relação entre as variações de temperatura 'TC e 'TF pode ser obtida pela relação entre os segmentos definidos na haste de um termômetro de mercúrio graduado nas duas escalas: 100 0 212 32 : 5 9 C F C F a b C F simplificando T T T T ' ' � q � q ' ' 2.6 Escala absoluta kelvin É possível demonstrar que existe um limite inferior, ainda que inalcançável de temperatura, ou seja, há um estado térmico mais frio que qualquer outro. Como veremos mais tarde, essa situação corresponde à cessação do chamado movimento de agitação térmica de todos átomos e moléculas do sistema. A esse estado térmico dá-se o nome de zero absoluto. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 8 de 93 Embora seja inatingível na prática, foi possível, através de condições teóricas, chegar-se à conclusão de que o zero absoluto corresponde, nas escalas relativas usuais, a ±273,160C e ± 459,670F. Representando: A escala absoluta Kelvin tem origem no zero absoluto (-273 0C aproximadamente) e unidade kelvin (símbolo: K), igual ao grau Celsius. Para efeito de comparação entre as escalas, consideremos o termômetro hipotético da figura: Sendo TK a leitura na escala Kelvin e LJC a leitura Celsius, para a mesma temperatura, temos: 273K C K C T T T T q q � ' ' 3. Calorimetria A calorimetria é um outro ramo da termologia, que estuda alguns fenômenos térmicos, notadamente as trocas de calor entre corpos que possuem temperaturas distintas. Como já foi dito anteriormente, o calor é uma forma de energia, é a energia térmica em trânsito. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 9 de 93 Antes de adentrarmos propriamente nos conceitos relativos ao calor e suas formas, vamos conhecer dois conceitos que serão necessários, que são os conceitos de Calor Específico e Capacidade Térmica. 3.1 Capacidade Térmica Vamos idealizar uma experiência usando uma fonte de potência constante e igual a 10 cal /s. Anotemos o tempo de aquecimento, a quantidade de calor fornecida e a variação de temperatura 'T. Estabelecendo um gráfico que possa nos mostrar o comportamento das grandezas acima: Analisando o comportamento térmico dessa substância, verificamos que há uma relação constante entre a quantidade de calor (Q) recebida e a variação de temperatura ('T) apresentada. Para cada 100 cal recebidas, a temperatura varia 8ºC. Portanto, essa relação constante entre a quantidade de calor Q e a respectiva variação de 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 10 de 93 WHPSHUDWXUD�ƩLJ�p�XPD�grandeza característica do corpo em questão, sendo denominada capacidade térmica. Veja que a grandeza não depende da massa do corpo que está sendo aquecida. QC T ' A essa grandeza constante damos o nome de Capacidade Térmica. É a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um corpo em 1°C. A unidade da capacidade térmica é de fácil visualização: 1calC cal C C � qq Essa unidade não se trata de uma unidade SI, mas de uma unidade usual, a unidade SI seria: 1 . JC J K K � No entanto, a unidade que aparecerá mais nas questões será a usual. 3.2 Calor Específico Outra grandeza de fundamental importância para o entendimento acerca da calorimetria é o calor específico. Vejamos. Caso a experiência descrita no item anterior fosse repetida com corpos da mesma substância, mas com diferentes massas, obter-se-iam os resultados expressos na seguinte tabela: 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 11 de 93 Portanto, para corpos de uma mesma substância, a capacidade térmica é diretamente proporcional à massa, uma vez que, variando a massa, a capacidade térmica varia na mesma proporção. Então, a relação entre a capacidade térmica e a massa, para esses corpos da mesma substância, permanece constante. 12,5 / 25 / 37,5 / 50 / 0,50 / . 25 50 75 100 cal C cal C cal C cal C c cal g C g g g g q q q q q Ou seja, a relação entre a capacidade térmica e a massa é constante: C c m A unidade do calor específico é dada por: / / .cal Cc cal g C g q q Podemos dizer que o calor específico é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um grama de um corpo de 1°C. Assim, veja que o calor específico é uma quantidade que depende da massa envolvida na questão. Agora que você entendeu essas duas grandezas, vamos aprender a calcular os dois tipos de calor envolvidos nas transferências de energia térmica. 3.3 Calor Sensível 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 12 de 93 O calor sensível é um tipo de calor necessário para elevar ou reduzir a temperatura de um corpo de certo valor. Assim, podemos dizer que sempre haverá calor sensível quando há mudança de temperatura de um corpo. Afirmamos então que quando o corpo aumenta a sua temperatura ele recebe calor do meio, ou de outro corpo; Ao passo que, quando ele reduz a sua temperatura, é sinal de que ele cedeu calor para o ambiente. Vamos então quantificar esse calor sensível partindo do calor específico: . . .sensível C Q c c m m Q mc T T ' ' Veja então que a variação da temperatura está ligada ao calor sensível. Poderíamos também ter retirado uma fórmula para o calor sensível a partir da capacidade calorífica: . QC Q C TT '' Essas são as fórmulas que você vai memorizar para calcular o calor sensívelenvolvido em um processo de trocas de calor entre corpos. Veja que esses calores podem ser positivos ou negativos, a depender do aumento ou redução de temperatura. 3.4 O equivalente mecânico 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 13 de 93 A unidade de calor vista até aqui é a caloria, no entanto, essa não é uma unidade do sistema internacional de unidades, para obter a unidade nesse sistema, devemos trabalhar com um equivalente mecânico, que é nada mais do que uma relação existente entre a caloria e o joule, este último unidade de energia na mecânica. 1 4,2cal J# 3.5 Calor sensível e a potência da fonte térmica Nesse item vamos encontrar uma forma de relacionar a quantidade de calor fornecida ou cedida por um corpo e o tempo necessário pra tanto. Seja Q a quantidade de calor que uma fonte térmica fornece a um sistema no iQWHUYDOR�GH�WHPSR�ƩW. Definimos potência média da fonte pela razão: m QPot t ' Se a mesma quantidade de calor for fornecida sempre no mesmo intervalo de tempo, podemos admitir que a potência instantânea será constante e igual a: QPot t ' Ou também, .Q Pot t ' É muito bom conhecer esses conceitos, pois já foram objetos de muitas questões em exames passados. 3.6. Calor Latente Ao apresentar o conceito de calor, imaginamos que os dois corpos sofram variação de temperatura ao trocar calor. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 14 de 93 No entanto, há situações em que a temperatura de um dos corpos se mantém constante. É o que acontece quando um deles está mudando seu estado de agregação, ou seja, está mudando de fase. Se aquecermos água sob pressão normal, estando ela inicialmente a 10ºC, verificaremos que a temperatura registrada pelo termômetro sobe gradativamente até alcançar 100ºC. A partir desse instante, embora continue o fornecimento de calor, a temperatura permanece constante e a água passa a sofrer uma mudança de estado, transformando-se em vapor o líquido contido no recipiente. A mesma coisa acontece se você pegar um pedaço de gelo, e sob as mesmas condições acima, aquecê-lo. Chegará um momento em que a temperatura irá estacionar em 0°C até que todo o gelo derreta, a partir daí ela vai amentar até 100° e acontece o que já foi explicado no parágrafo anterior. A conclusão é que existe uma situação em que a temperatura permanece constante e ainda assim há fornecimento de calor para os corpo. A esse calor chamamos de calor latente. Observe o processo de aquecimento abaixo: No caso acima, caso quiséssemos representar por meio de um gráfico, a temperatura em função do tempo: 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 15 de 93 Define-se calor latente de uma mudança de estado a grandeza, L, que mede numericamente a quantidade de calor que a substância troca por grama durante a mudança de estado. Por exemplo, para a vaporização da água descrita na experiência, o calor latente vale: 540 /VL cal g Por outro lado, se estiver ocorrendo a liquefação ou condensação do vapor de água, poderíamos dizer que o calor latente, por conta da perda de calor: 540 /LL cal g � Podemos dizer que cada um grama de água que passa do estado líquido par ao estado de vapor necessita de 540cal de energia para fazê-lo. Por outro lado, cada grama de água que condensa perde um calor de 540cal para executar a mudança de fase inversa. Para uma mesma substância, o valor do calor latente depende da transição que está ocorrendo. Quando o gelo (água no estado sólido) se derrete, convertendo-se em água no estado líquido (fusão), o calor latente é LF = 80 cal/g. Para a transformação inversa (solidificação da água ou congelamento), o calor latente é LS = -80 cal/g. Como o calor latente L é expresso para a unidade de massa, se tivermos que calcular a quantidade de calor Q. envolvida na mudança de estado de certa massa m da substância, deveremos usar a fórmula: 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 16 de 93 .Q m L Já que estamos falando de mudanças de estado físico, é bom Todo elemento, a transição entre um estado de agregação e outro tem a seguinte nomenclatura usual: É bom lembrar-se de todos os conceitos relativos às mudanças de fase, pois podem ser cobrados em uma questão teórica. 3.7. Curvas de Aquecimento Vamos procurar agora verificar como construir uma curva de aquecimento de um corpo de chumbo. Lembre-se de que existem dois tipos de calor, o sensível e o latente, cada um bem definido e com sua atribuição restrita. Tomemos como exemplo o caso do chumbo: um pedaço dele, sob pressão normal e à temperatura ambiente, está no estado sólido. Se ele for aquecido até a temperatura de 327ºC , continuando a receber calor, começará a fundir-se. Enquanto durar a fusão, isto é, enquanto houver um fragmento sólido de chumbo, a temperatura se manterá em 327ºC (mantida constante a pressão). Terminada a fusão, estando chumbo líquido a 327ºC , continuando a receber calor, sua temperatura subirá até 1750ºC , quando se iniciará outra mudança de estado de agregação: a vaporização. Durante ela, sua temperatura se manterá em 1750ºC, mantida constante a pressão. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 17 de 93 Somente quanto termina a vaporização, a temperatura volta a subir. É importante saber que nas partes inclinadas da curva temos um tipo de calor, que é o sensível; por outro lado, na parte horizontal do gráfico temos o calor latente, uma vez que a temperatura permanece constante. 3.8 Equilíbrio térmico 9RFr�Mi�GHYH�WHU�VH�SHUJXQWDGR�R�TXH�DFRQWHFH�TXDQGR�YRFr�³HQWHUUD´�XPD� latinha de cerveja em um isopor cheio de gelo. De fato, o que vai acontecer é um resfriamento da bebida. Esse resfriamento ocorre por conta da perda de calor da latinha para o gelo. É como se o gelo, a uma temperatura inferior, recebesse calor da latinha a uma temperatura maior e ambos chegassem, após um certo intervalo de tempo, a um equilíbrio no qual nem a temperatura do gelo aumenta e nem a temperatura da latinha diminui. A esse ponto chamamos de equilíbrio térmico e à essa temperatura chamamos de temperatura de equilíbrio térmico. Em muitas questão é solicitado o valor dessa temperatura ou de outras grandezas envolvidas no processe acima. Para entendermos melhor essa ideia, vamos estabelecer dois princípios que serão largamente utilizados para resolver questões dessa natureza. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Cursode Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 18 de 93 3.9 Calorímetros Os calorímetros são recipientes onde são colocados os corpos que trocam calor; eles são utilizados para a medição do calor específico dos corpos. Os calorímetros são tanto quanto possível isolados do meio exterior, para evitar trocas de calor entre o meio externo e o calorímetro mais seu conteúdo, por serem essas quantidades de calor difíceis de medir. No entanto, nada impede que seja introduzida ou retirada do interior do calorímetro qualquer quantidade de calor facilmente mensurável. Existem diversos tipos de calorímetros. O esquema abaixo mostra o calorímetro das misturas, também chamado calorímetro de Berthelot. Alguns calorímetros possuem capacidade térmica, e nesse caso devemos considera-lo nos processos de trocas de calor também, além dos corpos que estão em seu interior. Caso queiramos calcular o calor envolvido no calorímetro, basta aplicar a fórmula da capacidade térmica: .calorímetroQ C T ' 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 19 de 93 Sem exemplificar, fica realmente muito difícil entender como esses dois princípios podem ser utilizados em um problema. Assim, vamos verificar como isso foi cobrado em uma questão CESGRANRIO. (CESGRANRIO ± DECEA ± CONTROLADOR DE TRÁFEGO AÉREO ± 2007) Um calorímetro tem capacidade térmica de 12,0cal/°C e sua temperatura é 25°C. Um certo líquido de calor específico 0,5cal/g°C cuja temperatura é 38°C será armazenado no calorímetro. Que massa desse líquido, em gramas, é necessária para que o equilíbrio térmico seja estabelecido a 35°C? (A) 90 (B) 80 (C) 70 (D) 60 (E) 50 Resolução: Essa questão me traz boas lembranças. Na época eu tinha apenas 21 anos de idade e esse era o meu primeiro concurso público. Havia em min uma sede de vitória, uma impressionante vontade de vencer, de estar entre os aprovados. A sensação que tive quando recebi o resultado desse concurso e percebi que havia sido aprovado para uma das vagas de Recife (4 vagas), nem me deparei com a classificação em 2° lugar, pois não havia espaço para outra coisa a não ser a minha felicidade e alegria em saber que estava abrindo as portas do serviço público, e com as minhas próprias pernas adentrando em um lugar que muitos queriam estar. Pessoal, essa introdução foi para vocês empolgarem e motivarem-se nessa reta final para a sua prova. Tenho certeza de que você precisa dessas injeções de ânimo de vez em quando. Vamos à questão. Trata-se de um problema de equilíbrio térmico. Nele temos um calorímetro a uma temperatura menor que a do líquido. Assim, podemos de cara perceber que o calorímetro receberá calor do líquido e o líquido irá ceder calor para o calorímetro e ambos atingirão a temperatura de equilíbrio de 35°C. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 20 de 93 Assim, podemos esquematizar essas trocas de calor e dizer que ambas tem o mesmo módulo, ou seja o calor cedido pelo, líquido é totalmente recebido pelo calorímetro. � � � � . . . .0,5. 35 38 12. 35 25 1,5 120 80 cedido recebido líquido líquido calorímetro calorímetro Q Q mc C m m m g T T ' ' � � Portanto a resposta para a questão será o item B. Veja que se trata de questões simples, mas que o aluno deve ter lido a teoria e também é necessário conhecer as fórmulas. 4. Processos de propagação de calor Vamos estudar nesse ponto um dos assuntos mais cobrado em provas de ENEM quando o tema é termologia, estamos falando dos procedimentos de propagação de calor. É por meio de três processos que o calor acaba sendo propagado e a energia térmica sendo levada de um lugar para o outro. Vamos aprender as particularidades de cada um desses processos, entendendo qual a principal aplicação na prática e quais as diferenças de cada processo. Prontos para aprender porque o ar condicionado é colocado, geralmente, perto do teto de um ambiente? Sabe por que você fica arrepiado e isso é, uma tendência natural do seu corpo quando você sente frio? Como o calor sai do Sol e chega até a Terra? Vamos responder todas essas perguntas e ainda vamos mostrar vários aspectos teóricos ligados aos processos. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 21 de 93 4.1 Condução Esse é o primeiro processo de propagação do calor. Por meio dele o calor sai de um ponto e chega a outro, sempre necessitando de um meio material para fazê-lo. Aqui o calor é conduzido molécula por molécula até que chega ele é propagado de um ponto para outro. Imagine a situação em que você coloca uma faca de mesa, feita totalmente de um material metálico, com uma das pontas na boca do fogão acesa. Certamente após algum tempo a parte em que você segura a faca também estará quente, pois cada molécula foi aquecida e foi transmitindo o movimento vibracional uma a uma, até chegar na molécula que está perto das sua mão. Veja como seria o esquema das moléculas sendo agitadas: Pessoal, então fica a dica para que você lembre-se de que o processo de propagação de calor chamado condução necessita de um meio material para que tenhamos a sua propagação por meio dele. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 22 de 93 Outro assunto que você deve dominar são os isolantes térmicos, eles têm a função de fazer com que o calor não saia de um corpo, ou seja, servem para manter a temperatura constante de um corpo. Isso é muito comum no dia a dia, pois uma garrafa de café, uma garrafa térmica de água evita que ocorram processos de propagação do calor, evitando assim o resfriamento ou o aquecimento de uma substância contida em um desses dispositivos. Em relação aos isolantes, o que podemos destacar é que o ar é o mais importante, pois se trata de um isolante térmico de alta eficiência, é um dos melhores. É por isso que quando estamos com frio, ficamos arrepiados, trata-se de um mecanismo natural do corpo humano, que tenta reter o ar em uma camada sobre a pele para que ele se comporte como isolante térmico, evitando que o corpo humano tenha perdas de calor para o ambiente mais frio. A mesma coisa acontece com os passarinhos que eriçam suas penas para formar a tal camada de ar. As roupas de frio, feitas, geralmente, de lã também fazem uso dessa ideia para que sua eficiência seja testada. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silvawww.estrategiaconcursos.com.br Página 23 de 93 O isopor também é um excelente isolante térmico, e tem sido utilizado inclusive em novos projetos arquitetônicos em que se deseja isolar termicamente algum ambiente. Os telhados das casas também estão sendo adaptados para isolantes térmicos. Mas além dessa parte teórica bem tranquila você precisa conhecer a lei de Fourier, que trata, quantitativamente, dos valores do fluxo de calor entre dois ambientes. Para entender a fórmula, basta prestar atenção na figura abaixo: � �2 1KA e T T�) K é o chamado coeficiente de condutibilidade térmica, A é a área da superfície, e é a espessura da parede, e T1 e T2 são as temperaturas respectivas entre os ambientes. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 24 de 93 4.2 Convecção Na convecção o calor se propaga através de correntes de convecção ascendentes e descendentes gerando uma espécie de ciclo do calor. Para que tenhamos propagação de calor por meio de convecção também precisamos de um meio material, no entanto, esse meio geralmente é um meio gasoso, no qual o calor acaba entrando em um ciclo. Exemplos de propagação de calor por meio da convecção estão na geladeira, no ar condicionado, nas brisas das praias, entre outros casos. Você sabe porque o ar condicionado é colocado em cima da sala e o aquecedor no chão? É simples, é pelo fato de o ar frio ser mais pesado, o que faz com que ele caia e o ar quente suba. No aquecedor é o contrário, pois a ideia é esquentar o ambiente. Na geladeira também temos a mesma ideia e até no interior da Terra é possível verificar correntes de convecção. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 25 de 93 Nas brisas litorâneas é simples entender porque temos uma inversão. Observe a figura: Esse fenômeno também é explicado pelas correntes de convecção. O calor específico da água é bem maior que o da areia da praia, isso leva a um aumento de temperatura maior da areia do que da água durante o dia, logo teremos correntes de convecção do ar quente, que sobe, pois é menos denso que o frio e o ar frio acaba saindo da água para a areia. É por isso que os barcos à vela voltam para terra durante o dia. A noite e durante a madrugada o sol se esconde e então ocorre o contrário, pois nesse caso a água demora mais a resfriar, então o ar quente sobe da água e o ar frio vem da areia para a água. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 26 de 93 Assim, os pescadores geralmente aproveitam-se desse fenômeno para saírem para o mar durante a madrugada, o que faz com que os ventos sejam aproveitados para levar as embarcações para dentro do mar. Outro ponto importante a ser ressaltado na convecção é a inversão térmica. Quando o dia está quente o ar próximo ao solo, onde estão os poluentes, está mais quente que o das camadas mais altas. Desse modo, as correntes de convecção levam o ar poluído para cima. Por outro lado, nos dias frios, o ar mais próximo ao solo está mais frio que o das camadas mais altas e, assim, não há convecção para cima e o ar poluído fica próximo ao solo gerando problemas de poluição. 4.3 Irradiação. Esse é o último processo de propagação de calor. Nele o mais importante é saber que o calor se propaga por meio de ondas de calor, ondas eletromagnéticas. Essas ondas não necessitam de um meio material para se propagar. Assim, o calor pode se propagar até mesmo no vácuo e é assim que o calor do sol chega até nós. Veja na figura abaixo: 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 27 de 93 O calor flui do sol para a Terra por meio da irradiação. A radiação solar geralmente ocorre por meio de raios infravermelhos. Resumindo os processos: 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 28 de 93 5. Questões Propostas 1. (Enem 2015) As altas temperaturas de combustão e o atrito entre suas peças móveis são alguns dos fatores que provocam o aquecimento dos motores à combustão interna. Para evitar o superaquecimento e consequentes danos a esses motores, foram desenvolvidos os atuais sistemas de refrigeração, em que um fluido arrefecedor com propriedades especiais circula pelo interior do motor, absorvendo o calor que, ao passar pelo radiador, é transferido para a atmosfera. Qual propriedade o fluido arrefecedor deve possuir para cumprir seu objetivo com maior eficiência? a) Alto calor específico. b) Alto calor latente de fusão. c) Baixa condutividade térmica. d) Baixa temperatura de ebulição. e) Alto coeficiente de dilatação térmica. 2. (Enem 2015) Uma garrafa térmica tem como função evitar a troca de calor entre o líquido nela contido e o ambiente, mantendo a temperatura de seu conteúdo constante. Uma forma de orientar os consumidores na compra de uma garrafa térmica seria criar um selo de qualidade, como se faz atualmente para informar o consumo de energia de eletrodomésticos. O selo identificaria cinco categorias e informaria a variação de temperatura do conteúdo da garrafa, depois de decorridas seis horas de seu fechamento, por meio de uma porcentagem do valor inicial da temperatura de equilíbrio do líquido na garrafa. O quadro apresenta as categorias e os intervalos de variação percentual da temperatura. Tipo de selo Variação de temperatura A menor que 10% B entre 10% e 25% C entre 25% e 40% D entre 40% e 55% E maior que 55% Para atribuir uma categoria a um modelo de garrafa térmica, são preparadas e misturadas, em uma garrafa, duas amostras de água, uma a 10 Cq e outra a 40 C,q na proporção de um terço de água fria para dois terços de água quente. A garrafa é fechada. Seis horas depois, abre-se a garrafa e mede-se a temperatura da água, obtendo-se 16 C.q 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 29 de 93 Qual selo deveria ser posto na garrafa térmica testada? a) A b) B c) C d) D e) E 3. (Enem PPL 2015) Sabe-se que nas proximidades dos polos do planeta Terra é comum a formação dos icebergs, que são grandes blocos de gelo, flutuando nas águas oceânicas. Estudos mostram que a parte de gelo que fica emersa durante a flutuação corresponde a aproximadamente 10% do seu volumetotal. Um estudante resolveu simular essa situação introduzindo um bloquinho de gelo no interior de um recipiente contendo água, observando a variação de seu nível desde o instante de introdução até o completo derretimento do bloquinho. Com base nessa simulação, verifica-se que o nível da água no recipiente a) subirá com a introdução do bloquinho de gelo e, após o derretimento total do gelo, esse nível subirá ainda mais. b) subirá com a introdução do bloquinho de gelo e, após o derretimento total do gelo, esse nível descerá, voltando ao seu valor inicial. c) subirá com a introdução do bloquinho de gelo e, após o derretimento total do gelo, esse nível permanecerá sem alteração. d) não sofrerá alteração com a introdução do bloquinho de gelo, porém, após seu derretimento, o nível subirá devido a um aumento em torno de 10% no volume de água. e) subirá em torno de 90% do seu valor inicial com a introdução do bloquinho de gelo e, após seu derretimento, o nível descerá apenas 10% do valor inicial. 4. (Enem 2014) A elevação da temperatura das águas de rios, lagos e mares diminui a solubilidade do oxigênio, pondo em risco as diversas formas de vida aquática que dependem desse gás. Se essa elevação de temperatura acontece por meios artificiais, dizemos que existe poluição térmica. As usinas nucleares, pela própria natureza do processo de geração de energia, podem causar esse tipo de poluição. Que parte do ciclo de geração de energia das usinas nucleares está associada a esse tipo de poluição? a) Fissão do material radioativo. b) Condensação do vapor-GµiJXD�QR�ILQDO�GR�SURFHVVR�� c) Conversão de energia das turbinas pelos geradores. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 30 de 93 d) $TXHFLPHQWR�GD�iJXD�OtTXLGD�SDUD�JHUDU�YDSRU�GµiJXD�� e) Lançamento do vapor-GµiJXD�VREUH�DV�SiV�Gas turbinas. 5. (Enem PPL 2014) Um engenheiro decidiu instalar um aquecedor solar em sua casa, conforme mostra o esquema. De acordo com as instruções de montagem, para se ter um aproveitamento máximo da incidência solar, as placas do coletor solar devem ser instaladas com um ângulo de inclinação determinado. O parâmetro que define o valor do ângulo de inclinação dessas placas coletoras é a a) altitude. b) latitude. c) longitude. d) nebulosidade. e) umidade relativa do ar. 6. (Enem 2013) Aquecedores solares usados em residências têm o objetivo de elevar a temperatura da água até 70°C. No entanto, a temperatura ideal da água para um banho é de 30°C. Por isso, deve-se misturar a água aquecida com a água à temperatura ambiente de um outro reservatório, que se encontra a 25°C. Qual a razão entre a massa de água quente e a massa de água fria na mistura para um banho à temperatura ideal? a) 0,111. b) 0,125. c) 0,357. d) 0,428. e) 0,833. 7. (Enem PPL 2013) É comXP�QRV�UHIHULUPRV�D�GLDV�TXHQWHV�FRPR�GLDV�³GH� FDORU´��0XLWDV�YH]HV�RXYLPRV�H[SUHVV}HV�FRPR�³KRMH�HVWi�FDORU´�RX�³KRMH�R� FDORU�HVWi�PXLWR�IRUWH´�TXDQGR�D�WHPSHUDWXUD�DPELHQWH�HVWi�DOWD� 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 31 de 93 1R� FRQWH[WR� FLHQWtILFR�� p� FRUUHWR� R� VLJQLILFDGR� GH� ³FDORU´� XVDGR� QHVVDs expressões? a) Sim, pois o calor de um corpo depende de sua temperatura. b) Sim, pois calor é sinônimo de alta temperatura. c) Não, pois calor é energia térmica em trânsito. d) Não, pois calor é a quantidade de energia térmica contida em um corpo. e) Não, pois o calor é diretamente proporcional à temperatura, mas são conceitos diferentes. 8. (Enem 2013) Em um experimento foram utilizadas duas garrafas PET, uma pintada de branco e a outra de preto, acopladas cada uma a um termômetro. No ponto médio da distância entre as garrafas, foi mantida acesa, durante alguns minutos, uma lâmpada incandescente. Em seguida a lâmpada foi desligada. Durante o experimento, foram monitoradas as temperaturas das garrafas: a) enquanto a lâmpada permaneceu acesa e b) após a lâmpada ser desligada e atingirem equilíbrio térmico com o ambiente. A taxa de variação da temperatura da garrafa preta, em comparação à da branca, durante todo experimento, foi a) igual no aquecimento e igual no resfriamento. b) maior no aquecimento e igual no resfriamento. c) menor no aquecimento e igual no resfriamento. d) maior no aquecimento e menor no resfriamento. e) maior no aquecimento e maior no resfriamento. 9. (Enem PPL 2013) 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 32 de 93 Quais são os processos de propagação de calor relacionados à fala de cada personagem? a) Convecção e condução. b) Convecção e irradiação. c) Condução e convecção. d) Irradiação e convecção. e) Irradiação e condução. 10. (Enem PPL 2012) Em um centro de pesquisa de alimentos, um técnico efetuou a determinação do valor calórico de determinados alimentos da seguinte forma: colocou uma massa conhecida de água em um recipiente termicamente isolado. Em seguida, dentro desse recipiente, foi queimada uma determinada massa do alimento. Como o calor liberado por essa queima é fornecido para a água, o técnico calculou a quantidade de calor que cada grama do alimento libera. Para a realização desse teste, qual aparelho de medida é essencial? a) Cronômetro. b) Dinamômetro. c) Termômetro. d) Radiômetro. e) Potenciômetro. 11. (Enem PPL 2012) Em dias com baixas temperaturas, as pessoas utilizam casacos ou blusas de lã com o intuito de minimizar a sensação de frio. Fisicamente, esta sensação ocorre pelo fato de o corpo humano liberar calor, que é a energia transferida de um corpo para outro em virtude da diferença de temperatura entre eles. A utilização de vestimenta de lã diminui a sensação de frio, porque a) possui a propriedade de gerar calor. b) é constituída de material denso, o que não permite a entrada do ar frio. c) diminui a taxa de transferência de calor do corpo humano para o meio externo. d) tem como principal característica a absorção de calor, facilitando o equilíbrio térmico. e) está em contato direto com o corpo humano, facilitando a transferência de calor por condução. 12. (Enem PPL 2012) Um aquecedor solar consiste essencialmente em uma serpentina de metal, a ser exposta ao sol, por meio da qual flui água a ser aquecida. A parte inferior da serpentina é soldada a uma chapa metálica, que é o coletor solar. A forma da serpentina tem a finalidade de aumentar a área de contato com o coletor e com a própria radiação solar sem aumentar muito o tamanho do aquecedor. O metal, sendo bom condutor, 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 33 de 93 transmite e energia da radiação solar absorvida para as paredesinternas e, daí, por condução, para a água. A superfície deve ser recoberta com um material, denominado material seletivo quente, para que absorva o máximo de radiação solar e emita o mínimo de radiação infravermelha. Os quadros relacionam propriedades de alguns metais/ligas metálicas utilizados na confecção de aquecedores solares: Material metálico Condutividade térmica (W/m K) Zinco 116,0 Aço 52,9 cobre 411,0 Os aquecedores solares mais eficientes e, portanto, mais atrativos do ponto de vista econômico, devem ser construídos utilizando como material metálico e material seletivo quente, respectivamente, a) aço e material seletivo quente A. b) aço e material seletivo quente B. c) cobre e material seletivo quente C. d) zinco e material seletivo quente B. e) cobre e material seletivo quente A. Material seletivo quente Razão entre a absorbância de radiação solar e a emitância de radiação infravermelha A. Óxido e sulfeto de níquel e zinco aplicados sobre zinco 8,45 B. Óxido e sulfeto de níquel e zinco sobre ferro galvanizado 7,42 C. Óxido de cobre em alumínio anodizado 7,72 ACIOLI, J. L. Fontes de energia. Brasília: UnB,1994. Adaptado. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 34 de 93 13. (Enem PPL 2012) Chuveiros elétricos possuem uma chave para regulagem da temperatura verão/inverno e para desligar o chuveiro. Além disso, é possível regular a temperatura da água, abrindo ou fechando o registro. Abrindo, diminui-se a temperatura e fechando, aumenta-se. Aumentando-se o fluxo da água há uma redução na sua temperatura, pois a) aumenta-se a área da superfície da água dentro do chuveiro, aumentando a perda de calor por radiação. b) aumenta-se o calor especifico da água, aumentando a dificuldade com que a massa de água se aquece no chuveiro. c) diminui-se a capacidade térmica do conjunto água/chuveiro, diminuindo também a capacidade do conjunto de se aquecer. d) diminui-se o contato entre a corrente elétrica do chuveiro e a água, diminuindo também a sua capacidade de aquecê-la. e) diminui-se o tempo de contato entre a água e a resistência do chuveiro, diminuindo a transferência de calor de uma para a outra. 14. (Enem 2009) O Sol representa uma fonte limpa e inesgotável de energia para o nosso planeta. Essa energia pode ser captada por aquecedores solares, armazenada e convertida posteriormente em trabalho útil. Considere determinada região cuja insolação ² potência solar incidente na superfície da Terra ² seja de 800 watts/m2. Uma usina termossolar utiliza concentradores solares parabólicos que chegam a dezenas de quilômetros de extensão. Nesses coletores solares parabólicos, a luz refletida pela superfície parabólica espelhada é focalizada em um receptor em forma de cano e aquece o óleo contido em seu interior a 400 °C. O calor desse óleo é transferido para a água, vaporizando-a em uma caldeira. O vapor em alta pressão movimenta uma turbina acoplada a um gerador de energia elétrica. Considerando que a distância entre a borda inferior e a borda superior da superfície refletora tenha 6 m de largura e que focaliza no receptor os 800 watts/m2 de radiação provenientes do Sol, e que o calor específico da água 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 35 de 93 é 1 cal. g-1. ºC-1 = 4.200 J. kg-1. ºC-1, então o comprimento linear do refletor parabólico necessário para elevar a temperatura de 1 m3 (equivalente a 1 t) de água de 20 °C para 100 °C, em uma hora, estará entre a) 15 m e 21 m. b) 22 m e 30 m. c) 105 m e 125 m. d) 680 m e 710 m. e) 6.700 m e 7.150 m. 15. (Enem cancelado 2009) A Constelação Vulpécula (Raposa) encontra- se a 63 anos-luz da Terra, fora do sistema solar. Ali, o planeta gigante HD 189733b, 15% maior que Júpiter, concentra vapor de água na atmosfera. A temperatura do vapor atinge ����JUDXV�&HOVLXV��³$�iJXD�VHPSUH�HVWi�Oi�� de alguma forma, mas às vezes é possível que seja escondida por outros WLSRV� GH� QXYHQV´�� DILUPDUDP� RV� DVWU{QRPRV� GR� 6SLW]HU� 6FLHQFH� &HQWHU� (SSC), com sede em Pasadena, Califórnia, responsável pela descoberta. A água foi detectada pelo espectrógrafo infravermelho, um aparelho do telescópio espacial Spitzer. Correio Braziliense, 11 dez. 2008 (adaptado). De acordo com o texto, o planeta concentra vapor de água em sua atmosfera a 900 graus Celsius. Sobre a vaporização infere-se que a) se há vapor de água no planeta, é certo que existe água no estado líquido também. b) a temperatura de ebulição da água independe da pressão, em um local elevado ou ao nível do mar, ela ferve sempre a 100 graus Celsius. c) o calor de vaporização da água é o calor necessário para fazer 1 kg de água líquida se transformar em 1 kg de vapor de água a 100 graus Celsius. d) um líquido pode ser superaquecido acima de sua temperatura de ebulição normal, mas de forma nenhuma nesse líquido haverá formação de bolhas. e) a água em uma panela pode atingir a temperatura de ebulição em alguns minutos, e é necessário muito menos tempo para fazer a água vaporizar completamente. 16. (Enem cancelado 2009) A água apresenta propriedades físico-químicas que a coloca em posição de destaque como substância essencial à vida. Dentre essas, destacam-se as propriedades térmicas biologicamente muito importantes, por exemplo, o elevado valor de calor latente de vaporização. Esse calor latente refere-se à quantidade de calor que deve ser adicionada a um líquido em seu ponto de ebulição, por unidade de massa, para 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 36 de 93 convertê-lo em vapor na mesma temperatura, que no caso da água é igual a 540 calorias por grama. A propriedade físico-química mencionada no texto confere à água a capacidade de a) servir como doador de elétrons no processo de fotossíntese. b) funcionar como regulador térmico para os organismos vivos. c) agir como solvente universal nos tecidos animais e vegetais. d) transportar os íons de ferro e magnésio nos tecidos vegetais. e) funcionar como mantenedora do metabolismo nos organismos vivos. 17. (Enem 2009) A invenção da geladeira proporcionou uma revolução no aproveitamento dos alimentos, ao permitir que fossem armazenados e transportados por longos períodos. A figura apresentada ilustra o processo cíclico de funcionamento de uma geladeira, em que um gás no interior de uma tubulação é forçado a circular entre o congelador e a parte externa da geladeira. É por meio dos processos de compressão, que ocorre na parte externa, e de expansão, que ocorre na parte interna, que o gás proporciona a troca de calor entre o interior e o exterior da geladeira. Disponível em: http://home.howstuffworks.com. Acesso em: 19 out. 2008 (adaptado). Nos processos de transformação de energia envolvidos no funcionamento da geladeira, 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 37 de 93 a) a expansão do gás é um processo que cede a energia necessária ao resfriamento da parte interna da geladeira. b) o calor flui de forma não espontânea da parte mais fria, no interior, para a mais quente, no exterior da geladeira. c) a quantidade de calor cedida ao meio externo é igual ao calor retirado da geladeira. d) a eficiência é tanto maior quanto menos isolado termicamente do ambiente externo for o seu compartimento interno. e) a energia retirada do interior pode ser devolvida à geladeira abrindo-se a sua porta, o que reduz seu consumo de energia. 18. (Enem cancelado 2009) Além de ser capaz de gerar eletricidade, a energia solar é usada para muitas outras finalidades. A figura a seguir mostra o uso da energia solar para dessalinizar a água. Nela, um tanque contendo água salgada é coberto por um plástico transparente e tem a sua parte central abaixada pelo peso de uma pedra, sob a qual se coloca um recipiente (copo). A água evaporada se condensa no plástico e escorre até o ponto mais baixo, caindo dentro do copo. Nesse processo, a energia solar cedida à água salgada a) fica retida na água doce que cai no copo, tornando-a, assim, altamente energizada. b) fica armazenada na forma de energia potencial gravitacional contida na água doce. c) é usada para provocar a reação química que transforma a água salgada em água doce. d) é cedida ao ambiente externo através do plástico, onde ocorre a condensação do vapor. e) é reemitida como calor para fora do tanque, no processo de evaporação da água salgada. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 38 de 93 19. (Enem cancelado 2009) Em grandes metrópoles, devido a mudanças na superfície terrestre ² asfalto e concreto em excesso, por exemplo ² formam-se ilhas de calor. A resposta da atmosfera a esse fenômeno é a precipitação convectiva. Isso explica a violência das chuvas em São Paulo, onde as ilhas de calor chegam a ter 2 a 3 graus centígrados de diferença em relação ao seu entorno. Revista Terra da Gente. Ano 5, nº 60, Abril 2009 (adaptado). As características físicas, tanto do material como da estrutura projetada de uma edificação, são a base para compreensão de resposta daquela tecnologia construtiva em termos de conforto ambiental. Nas mesmas condições ambientais (temperatura, umidade e pressão), uma quadra terá melhor conforto térmico se a) pavimentada com material de baixo calor específico, pois quanto menor o calor específico de determinado material, menor será a variação térmica sofrida pelo mesmo ao receber determinada quantidade de calor. b) pavimentada com material de baixa capacidade térmica, pois quanto menor a capacidade térmica de determinada estrutura, menor será a variação térmica sofrida por ela ao receber determinada quantidade de calor. c) pavimentada com material de alta capacidade térmica, pois quanto maior a capacidade térmica de determinada estrutura, menor será a variação térmica sofrida por ela ao receber determinada quantidade de calor d) possuir um sistema de vaporização, pois ambientes mais úmidos SHUPLWHP�XPD�PXGDQoD� GH� WHPSHUDWXUD� OHQWD�� Mi� TXH� R� YDSRU� G¶iJXD� possui a capacidade de armazenar calor sem grandes alterações térmicas, devido ao baixo calor específico da água (em relação à madeira, por exemplo). e) possuir um sistema de VXFomR�GR�YDSRU�G¶iJXD��SRLV�DPELHQWHV�PDLV� secos permitem uma mudança de temperatura lenta, já que o vapor G¶iJXD�SRVVXL�D�FDSDFLGDGH�GH�DUPD]HQDU�FDORU�VHP�JUDQGHV�DOWHUDo}HV� térmicas, devido ao baixo calor específico da água (em relação à madeira, por exemplo). 20. (Enem 2008) A energia geotérmica tem sua origem no núcleo derretido da Terra, onde as temperaturas atingem 4.000 °C. Essa energia é primeiramente produzida pela decomposição de materiais radioativos dentro do planeta. Em fontes geotérmicas, a água, aprisionada em um reservatório subterrâneo, é aquecida pelas rochas ao redor e fica submetida 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 39 de 93 a altas pressões, podendo atingir temperaturas de até 370 °C sem entrar em ebulição. Ao ser liberada na superfície, à pressão ambiente, ela se vaporiza e se resfria, formando fontes ou gêiseres. O vapor de poços geotérmicos é separado da água e é utilizado no funcionamento de turbinas para gerar eletricidade. A água quente pode ser utilizada para aquecimento direto ou em usinas de dessalinização. Roger A. Hinrichs e Merlin Kleinbach. Energia e meio ambiente. Ed. ABDR (com adaptações) Depreende-se das informações do texto que as usinas geotérmicas a) utilizam a mesma fonte primária de energia que as usinas nucleares, sendo, portanto, semelhantes os riscos decorrentes de ambas. b) funcionam com base na conversão de energia potencial gravitacional em energia térmica. c) podem aproveitar a energia química transformada em térmica no processo de dessalinização. d) assemelham-se às usinas nucleares no que diz respeito à conversão de energia térmica em cinética e, depois, em elétrica. e) transformam inicialmente a energia solar em energia cinética e, depois, em energia térmica. TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: O diagrama a seguir representa, de forma esquemática e simplificada, a distribuição da energia proveniente do Sol sobre a atmosfera e a superfície terrestre. Na área delimitada pela linha tracejada, são destacados alguns processos envolvidos no fluxo de energia na atmosfera. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 40 de 93 21. (Enem 2008) Com base no diagrama acima, conclui-se que a) a maior parte da radiação incidente sobre o planeta fica retida na atmosfera. b) a quantidade de energia refletida pelo ar, pelas nuvens e pelo solo é superior à absorvida pela superfície. c) a atmosfera absorve 70% da radiação solar incidente sobre a Terra. d) mais da metade da radiação solar que é absorvida diretamente pelo solo é devolvida para a atmosfera. e) a quantidade de radiação emitida para o espaço pela atmosfera é menor que a irradiada para o espaço pela superfície. 22. (Enem 2007) O uso mais popular de energia solar está associado ao fornecimento de água quente para fins domésticos. Na figura a seguir, é ilustrado um aquecedor de água constituído de dois tanques pretos dentro de uma caixa termicamente isolada e com cobertura de vidro, os quais absorvem energia solar. A. Hinrichs e M. Kleinbach. Energia e meio ambiente. São Paulo: Thompson, 3a ed., 2004, p. 529 (com adaptações). Nesse sistema de aquecimento, a) os tanques, por serem de cor preta, são maus absorvedores de calor e reduzem as perdas de energia. b) a cobertura de vidro deixa passar a energia luminosa e reduz a perda de energia térmica utilizadapara o aquecimento. c) a água circula devido à variação de energia luminosa existente entre os pontos X e Y. d) a camada refletiva tem como função armazenar energia luminosa. e) o vidro, por ser bom condutor de calor, permite que se mantenha constante a temperatura no interior da caixa. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 41 de 93 23. (Enem 2006) A Terra é cercada pelo vácuo espacial e, assim, ela só perde energia ao irradiá-la para o espaço. O aquecimento global que se verifica hoje decorre de pequeno desequilíbrio energético, de cerca de 0,3%, entre a energia que a Terra recebe do Sol e a energia irradiada a cada segundo, algo em torno de 1 W/m2. Isso significa que a Terra acumula, anualmente, cerca de 1,6 × 1022 J. Considere que a energia necessária para transformar 1 kg de gelo a 0°C em água líquida seja igual a 3,2 × 105 J. Se toda a energia acumulada anualmente fosse usada para derreter o gelo nos polos (a 0°C), a quantidade de gelo derretida anualmente, em trilhões de toneladas, estaria entre a) 20 e 40. b) 40 e 60. c) 60 e 80. d) 80 e 100. e) 100 e 120. 24. (Enem 2002) Nas discussões sobre a existência de vida fora da Terra, Marte tem sido um forte candidato a hospedar vida. No entanto, há ainda uma enorme variação de critérios e considerações sobre a habitabilidade de Marte, especialmente no que diz respeito à existência ou não de água líquida. Alguns dados comparativos entre a Terra e Marte estão apresentados na tabela. PLANET A Distânci a ao Sol (km) Massa (em relação à terrestre ) Aceleraçã o da gravidade (m/s2) Composição da atmosfera Temperatur a Média TERRA 149 milhões 1,00 9,8 Gases predominante s: Nitrogênio (N) e Oxigênio (O2) 288K (+15°C) MARTE 228 milhões 0,18 3,7 Gás predominante: Dióxido de Carbono (CO2) 218K (-55°C) Com base nesses dados, é possível afirmar que, dentre os fatores a seguir, 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 42 de 93 aquele mais adverso à existência de água líquida em Marte é sua a) grande distância ao Sol. b) massa pequena. c) aceleração da gravidade pequena. d) atmosfera rica em CO2. e) temperatura média muito baixa. 25. (Enem 2002) Numa área de praia, a brisa marítima é uma consequência da diferença no tempo de aquecimento do solo e da água, apesar de ambos estarem submetidos às mesmas condições de irradiação solar. No local (solo) que se aquece mais rapidamente, o ar fica mais quente e sobe, deixando uma área de baixa pressão, provocando o deslocamento do ar da superfície que está mais fria (mar). À noite, ocorre um processo inverso ao que se verifica durante o dia. Como a água leva mais tempo para esquentar (de dia), mas também leva mais tempo para esfriar (à noite), o fenômeno noturno (brisa terrestre) pode ser explicado da seguinte maneira: a) O ar que está sobre a água se aquece mais; ao subir, deixa uma área de baixa pressão, causando um deslocamento de ar do continente para o mar. b) O ar mais quente desce e se desloca do continente para a água, a qual não conseguiu reter calor durante o dia. c) O ar que está sobre o mar se esfria e dissolve-se na água; forma-se, assim, um centro de baixa pressão, que atrai o ar quente do continente. d) O ar que está sobre a água se esfria, criando um centro de alta pressão que atrai massas de ar continental. e) O ar sobre o solo, mais quente, é deslocado para o mar, equilibrando a baixa temperatura do ar que está sobre o mar. 26. (Enem 2001) A padronização insuficiente e a ausência de controle na fabricação de refrigeradores podem também resultar em perdas 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 43 de 93 significativas de energia através das paredes da geladeira. Essas perdas, em função da espessura das paredes, para geladeiras e condições de uso típicas, são apresentadas na tabela. Espessura das paredes (cm) Perda térmica mensal (kWh) 2 65 4 35 6 25 10 15 Considerando uma família típica, com consumo médio mensal de 200kWh, a perda térmica pelas paredes de uma geladeira com 4cm de espessura, relativamente a outra de 10cm, corresponde a uma porcentagem do consumo total de eletricidade da ordem de a) 30%. b) 20%. c) 10%. d) 5%. e) 1%. 27. (Enem 2000) Uma garrafa de vidro e uma lata de alumínio, cada uma contendo 330mL de refrigerante, são mantidas em um refrigerador pelo mesmo longo período de tempo. Ao retirá-las do refrigerador com as mãos desprotegidas, tem-se a sensação de que a lata está mais fria que a garrafa. É correto afirmar que: a) a lata está realmente mais fria, pois a cidade calorífica da garrafa é maior que a da lata. b) a lata está de fato menos fria que a garrafa, pois o vidro possui condutividade menor que o alumínio. c) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, possuem a mesma condutividade térmica, e a sensação deve-se à diferença nos calores específicos. d) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, e a sensação é devida ao fato de a condutividade térmica do alumínio ser maior que a do vidro. e) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, e a sensação é devida ao fato de a condutividade térmica do vidro ser maior que a do alumínio. 28. (Enem 2000) O resultado da conversão direta de energia solar é uma das várias formas de energia alternativa de que se dispõe. O aquecimento solar é obtido por uma placa escura coberta por vidro, pela qual passa um tubo contendo água. A água circula, conforme mostra o esquema a seguir. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 44 de 93 Fonte: Adaptado de PALZ, Wolfgang, Energia solar e fontes alternativas. Hemus, 1981. São feitas as seguintes afirmações quanto aos materiais utilizados no aquecedor solar: I. o reservatório de água quente deve ser metálico para conduzir melhor o calor. II. a cobertura de vidro tem como função reter melhor o calor, de forma semelhante ao que ocorre em uma estufa. III. a placa utilizada é escura para absorver melhor a energia radiante do Sol, aquecendo a água com maior eficiência. Dentre as afirmações acima, pode-se dizer que, apenas está(ão) correta(s): a) I b) I e II c) II d) I e III e) II e III 29. (Enem 1999) A construção de grandes projetos hidroelétricos também deve ser analisada do ponto de vista do regime das águas e de seu ciclo na região. Em relação ao ciclo da água, pode-se argumentar que a construção de grandes represas a) não causa impactos na região, uma vez que quantidade total de água da Terra permanece constante. b) não causa impactos na região, uma vez que a água que alimenta arepresa prossegue depois rio abaixo com a mesma vazão e velocidade. c) aumenta a velocidade dos rios, acelerando o ciclo da água na região. d) aumenta a evaporação na região da represa, acompanhada também por um aumento local da umidade relativa do ar. e) diminui a quantidade de água disponível para a realização do ciclo da água. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 45 de 93 TEXTO PARA AS PRÓXIMAS 2 QUESTÕES: A panela de pressão permite que os alimentos sejam cozidos em água muito mais rapidamente do que em panelas convencionais. Sua tampa possui uma borracha de vedação que não deixa o vapor escapar, a não ser através de um orifício central sobre o qual assenta um peso que controla a pressão. Quando em uso, desenvolve-se uma pressão elevada no seu interior. Para a sua operação segura, é necessário observar a limpeza do orifício central e a existência de uma válvula de segurança, normalmente situada na tampa. O esquema da panela de pressão e um diagrama de fase da água são apresentados a seguir. 30. (Enem 1999) A vantagem do uso de panela de pressão é a rapidez para o cozimento de alimentos e isto se deve a) à pressão no seu interior, que é igual à pressão externa. b) à temperatura de seu interior, que está acima da temperatura de ebulição da água no local. c) à quantidade de calor adicional que é transferida à panela. d) à quantidade de vapor que esta sendo liberada pela válvula. e) à espessura da sua parede, que é maior que a das panelas comuns. 31. (Enem 1999) 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. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 46 de 93 32. (Unesp 2014) O gráfico representa, aproximadamente, como varia a temperatura ambiente no período de um dia, em determinada época do ano, no deserto do Saara. Nessa região a maior parte da superfície do solo é coberta por areia e a umidade relativa do ar é baixíssima. A grande amplitude térmica diária observada no gráfico pode, dentre outros fatores, ser explicada pelo fato de que a) a água líquida apresenta calor específico menor do que o da areia sólida e, assim, devido a maior presença de areia do que de água na região, a retenção de calor no ambiente torna-se difícil, causando a drástica queda de temperatura na madrugada. b) o calor específico da areia é baixo e, por isso, ela esquenta rapidamente quando ganha calor e esfria rapidamente quando perde. A baixa umidade do ar não retém o calor perdido pela areia quando ela esfria, explicando a queda de temperatura na madrugada. c) a falta de água e, consequentemente, de nuvens no ambiente do Saara intensifica o efeito estufa, o que contribui para uma maior retenção de energia térmica na região. d) o calor se propaga facilmente na região por condução, uma vez que o ar seco é um excelente condutor de calor. Dessa forma, a energia retida pela areia durante o dia se dissipa pelo ambiente à noite, causando a queda de temperatura. e) da grande massa de areia existente na região do Saara apresenta grande mobilidade, causando a dissipação do calor absorvido durante o dia e a drástica queda de temperatura à noite. 33. (Pucsp 2015) Dona Salina, moradora de uma cidade litorânea paulista, resolve testar o funcionamento de seu recém-adquirido aparelho de micro- ondas. Decide, então, vaporizar totalmente 1 litro de água inicialmente a 20 C.q Para tanto, o líquido é colocado em uma caneca de vidro, de pequena espessura, e o aparelho é ligado por 40 minutos. Considerando que D. Salina obteve o resultado desejado e sabendo que o valor do kWh é igual a R$ 0,28, calcule o custo aproximado, em reais, devido a esse procedimento. Despreze qualquer tipo de perda e considere que toda a potência fornecida 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 47 de 93 pelo micro-ondas, supostamente constante, foi inteiramente transferida para a água durante seu funcionamento. a) 0,50 b) 0,40 c) 0,30 d) 0,20 e) 0,10 34. (Pucrj 2015) Um pedaço de metal de 100 g consome 470 cal para ser aquecido de 20 Cq a 70 C.q O calor específico deste metal, em cal / g C,q vale: a) 10,6 b) 23,5 c) 0,094 d) 0,047 e) 0,067 35. (Pucrj 2015) Um aluno enche um copo com 0,10 L de água a 25 Cq e 0,15 L de água a 15 C.q Desprezando trocas de calor com o copo e com o meio, a temperatura final da mistura, em °C, é: a) 15 b) 19 c) 21 d) 25 e) 40 36. (Unesp 2015) A energia contida nos alimentos Para determinar o valor energético de um alimento, podemos queimar certa quantidade desse produto e, com o calor liberado, aquecer determinada massa de água. Em seguida, mede-se a variação de temperatura sofrida pela água depois que todo o produto foi queimado, e determina-se a quantidade de energia liberada na queima do alimento. Essa é a energia que tal alimento nos fornece se for ingerido. 04178253905 04178253905 - vinicius marques Curso de Física para o ENEM 2016 Teoria e exercícios comentados Aula 07 ± Termologia ± estrategiaenem ± Prof. Vinícius Silva www.estrategiaconcursos.com.br Página 48 de 93 No rótulo de um pacote de castanha de caju, está impressa a tabela a seguir, com informações nutricionais sobre o produto. INFORMAÇÃO NUTRICIONAL Porção 15 g Quantidade por porção Valor energético 90 kcal Carboidratos 4,2 g Proteínas 3 g Gorduras totais 7,3 g Gorduras saturadas 1,5 g Gordura trans 0 g Fibra alimentar 1g Sódio 45 g www.brcaju.com.br Considere que 150 g de castanha tenham sido queimados e que determinada massa m de água, submetida à chama dessa combustão, tenha sido aquecida de 15 Cq para 87 C.q Sabendo que o calor específico da água líquida é igual a 1cal (g C) q e que apenas 60% da energia liberada na combustão tenha efetivamente sido utilizada para aquecer a água, é correto afirmar que a massa m, em gramas, de água aquecida era igual a a) 10000. b) 5000. c) 12500. d) 7500. e) 2500. 37. (Pucrj 2015) Podemos estimar quanto é o dano de uma queimadura por vapor da seguinte maneira: considere que 0,60 g de vapor condense sobre a pele de uma pessoa. Suponha que todo o calor latente é absorvido por uma massa de 5,0 g de pele. Considere que o calor específico da pele é igual ao da água: c 1,0 cal / (g C). q Considere o calor latente de vaporização da água como vL 1000 / 3 333 cal / g. Calcule o aumento de temperatura da pele devido à absorção do calor, em C.q a) 0,60 b) 20 c) 40 d) 80
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