Unidade 1 Física

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Disciplina: Física: Termodinâmica, Ondas e Óptica 
Questões discursivas – Atividades A2 - Unidades 1 a 4 
Grupo de Física 
 
Questões Discursivas 
 
 
Unidade 1 - HIDROSTÁTICA 
 
 
Questão Discursiva 1: 
 
Um bloco de gelo (917 kg/m3) flutua num lago de água doce (1000 kg/m3). Qual deve ser o volume 
mínimo desse bloco para que uma pessoa de 45 kg fique sobre ele sem molhar os pés? 
 
Solução: 
 
Para o bloco flutuar com a pessoa sobre ele, o peso total (bloco + pessoa) dever ser igual ao 
empuxo sobre o bloco e, neste caso, o volume deslocado é igual ao volume do bloco (V). 
E = Pbloco + Ppessoa 
ρfluido*Vdeslocado*g = ρgelo*Vbloco*g + mpessoa*g 
O Vdeslocado = Vbloco = V, pois nessa situação o bloco fica totalmente submerso. 
Cancelamos a aceleração da gravidade g e substituímos os dados fornecidos: 
1000V = 917V + 45 
1000V – 917V = 45 
V = 0,542 m3 
 
Resposta: O volume mínimo do bloco deve ser de 0,542 m3 para que uma pessoa de 45 kg fique 
sobre ele sem molhar os pés. 
 
 
Questão Discursiva 2: 
 
Se você bebe limonada aguada ( = 1000 kg/m3) sugando um canudinho de 4 cm de altura, qual a 
diferença de pressão que seus pulmões podem gerar? 
 
Solução: 
 
A diferença de pressão é dada por: 
ΔP = ρgh 
ΔP = 1000 kg/m3 x 9,8 m/s2 x 0,04 m = 392 Pa 
 
Resposta: A diferença de pressão gerada pelos pulmões é de 392 Pa. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Questão Discursiva 3: 
 
Quando a âncora de um navio é mergulhada na água do mar (densidade de 1024 kg/m3), ela tem 
seu peso reduzido em 200 N. Se esta âncora for feita de ferro (a densidade do ferro vale 7870 
kg/m3), qual é o seu volume e qual o seu peso no ar? 
 
Solução: 
 
Como a âncora tem seu peso reduzido em 200 N quando mergulhada na água do mar, 
então Par - Paparente = 200 N, ou seja, a força de empuxo E é igual a 200 N, pois: 
E = Par - Paparente = 200 N 
 
O empuxo é dado por: E = ρfluido*Vdeslocado*g 
Substituindo os valores encontramos: 
200 = 1024 x Vancora x 9,8 
Vancora = 1,99 x 10-2 m3 
 
O peso da âncora no ar é: 
Pancora = m*g = ρ*V*g = 7870 x 1,99 x 10-2 x 9,8 
Pancora = 1534,8 N 
 
Resposta: O volume da âncora é 1,99 x 10-2 m3 e o seu peso no ar é 1534,8 N. 
 
 
Questão Discursiva 4: 
 
A pressão média com que o coração bombeia o sangue é 100 mmHg. Se a secção reta da aorta for 
3 cm2, qual será a força média exercida pelo coração sobre o sangue que está entrando na aorta? 
 
Solução: 
 
A pressão é igual a razão entre a força pela área de aplicação da força: 
p=F/A 
 
Para transformar 100 mmHg para Pa, dividimos o valor por 760 mmHg e multiplicamos por 1,01 x 
105 Pa e, já que uma pressão de 760 mmHg equivale 1,01x105 Pa. 
 
p = 100 mmHg x 1,01 x 105 Pa / 760 mmHg = 1,33 x 104 Pa 
 
Assim: 
 
F = P x A 
F = 1,33 x 104 x 3 x 10-4 = 3,99 N 
F = 3,99 N ≈ 4 N 
 
Resposta: A força média exercida pelo coração sobre o sangue é de 4 N. 
 
 
 
 
Questão Discursiva 5: 
 
Com um imenso esforço de inspiração, uma pessoa pode provocar uma diferença de pressão de 
80 mm Hg. Qual é a altura máxima que um líquido consegue subir por um canudo se for água? E 
se for álcool (densidade 920 Kg/m3)? 
 
Solução: 
Para transformar 80 mmHg para Pa, multiplicamos por 1,01 x 105 Pa e dividimos o valor por 760 
mmHg: 
Δp = 80 mmHg x 1,01 x 105 Pa / 760 mmHg = 1,06 x 104 Pa 
A diferença de pressão é dada por: 
ΔP = ρgh 
Isolando h obtemos: 
h = ΔP/(ρg) 
Se for água obtemos: 
hagua = 1,06 x 104 Pa / (1000 kg/m3 * 9,8 m/s2) 
hagua = 1,08 m 
Se for álcool obtemos: 
halcool = 1,06 x 104 Pa / (920 kg/m3 * 9,8 m/s2) 
 halcool = 1,18 m 
 
 
Resposta: Se for água a altura máxima é de 1,08 m e se form álcool a altura máxima é 
de 1,18 m. 
 
 
Explicando com mais detalhes... 
Considere um copo com um canudo como na figura abaixo: 
 
Na figura P0 é a pressão atmosférica. 
Você deve aplicar o teorema de Steven, o qual afirma que para uma mesma linha a pressão é a 
mesma. Então, podemos dizer que no ponto A a pressão é igual à do ponto B. 
Sabendo que em A atua a pressão atmosférica; e que em B atua a pressão atmosférica menos os 
80 mmHg (∆P) e também a pressão devido a coluna de água (P=ρgh), então pode-se calcular o h. 
A – P0 
B – (P0-∆P) + ρgh 
Não se esqueça de passar a pressão para o sistema internacional de unidades. 
 
Unidade 2 - TEMPERATURA, CALOR E DILATAÇÃO 
 
 
Questão Discursiva 1: 
 
Coloque em ordem crescente as seguintes temperaturas: 20 oC, 20 oF e 20 K. 
 
 
Solução: 
 
Para colocar as temperaturas apresentadas em ordem crescente, devemos expressar todas elas 
em uma mesma escala termométrica, por exemplo, Celsius. 
Transformando 20 oF em oC, temos: 
Tc = (TF – 32)/1,8 = (20 – 32)/1,8 = -6,67 oC 
Transformando 20 K em oC, temos: 
Tc = Tk – 273 = 20 – 273 = -253 oC. 
A partir dos valores encontrados, temos em ordem crescente: 
20 K = -253 oC 
20 oF = -6,67 oC 
20 oC 
 
Resposta: A ordem crescente das temperaturas é: 20 K, 20 oF e 20 oC. 
 
 
Questão Discursiva 2: 
 
Uma pessoa coloca uma chaleira com água no fogão para fazer um chá. A água será aquecida 
através do calor das chamas, que inicialmente aquece o fundo da chaleira e este, uma vez 
aquecido, esquenta a massa de água no recipiente. O aquecimento do fundo da chaleira e o 
consequente aquecimento da água se dão através de quais processos de condução de calor? 
 
Solução: 
 
O fundo da chaleira, que está diretamente sobre a chama do fogão, se aquece por contato, ou 
seja, por condução e a água, por convecção (movimentação do fluido). 
 
 
 
Questão Discursiva 3: 
 
Um engenheiro está desenvolvendo um novo projeto de uma máquina. Uma das partes móveis da 
máquina contém 1,60 kg de Alumínio e 0,30 kg de Ferro, sendo que ela deve operar a 
temperatura de 210°C. Qual é o calor necessário para elevar sua temperatura de 20°C até 210°C? 
Dados: c(Al) = 910 J/kgK e c(Fe) = 270 J/kgK 
 
Solução: 
 
O calor necessário é dado por: ΔQ = m*c*ΔT. 
Porém, deve-se calcular o ΔQ = para aquecer o Alumínio e o Ferro separadamente, e depois 
somar os resultados obtidos. 
 
A variação de temperatura na escala Celsius é igual a variação de temperatura na escala Kelvin. 
Assim, as temperaturas não precisam ser convertidas para Kelvin. 
 
Substituindo os valores, temos para o Alumínio: 
ΔQAl = 1,60 kg x 910 J/Kg.K x (210 – 20) K 
ΔQAl = 2,80 x 105 J = 66,9 kcal 
 
Para o Ferro, temos: 
ΔQFe = 0,30 kg x 270 J/Kg.K x (210 – 20) K 
ΔQFe = 1,54 x 104 J = 3,68 kcal 
 
A quantidade total de calor necessária será: 
 ΔQ = ΔQAl + ΔQFe = 2,80 x 105 J + 1,54 x 104 J 
ΔQ = 2,95 x 105 J = 70,58 kcal 
 
O valor correto para o calor específico do ferro é: cFe = 470 J/K.kg. Usando esse valor, obtemos: 
 
ΔQFe = 0,30 kg x 470 J/Kg.K x (210 – 20) K 
ΔQFe = 2,68 x 104 J = 6,4 kcal 
 
A quantidade total de calor necessária será: 
 ΔQ = ΔQAl + ΔQFe = 2,80 x 105 J + 2,68 x 104 J 
ΔQ = 3,068 x 105 J = 73,3 kcal 
 
Questão Discursiva 4: 
 
Um bloco de gelo de 1 kg, a 0 oC, é aquecido até que uma parte dele derreta. Considerando que 
foram fornecidos ao bloco de gelo 250 kJ de energia, qual foi a fração de gelo que derreteu? 
Dado: Lf (gelo) = 334 x 103 J/kg. 
 
Solução: 
 
A energia necessária para fundir uma certa massa de dada substância é dada por: Q = mLf. 
Para o gelo, teremos: 
250×103 J = m*334×103 J/Kg 
m = 0,75 kg. 
Resposta: 0,75 kg de gelo derreteu. 
 
Questão Discursiva 5: 
 
As fritadeiras elétricas que fritam sem óleo, usam uma resistência elétrica em seu interior, na 
parte superior e acima dela existe um ventilador que força o ar quente para baixo. 
Explique por que é necessario o ventilador para que essas fritadeiras realmente cozinhem o 
alimento. 
 
Solução: 
 
Como a tendência do ar quente é subir, os alimentos que se encontram na parte de baixo não 
receberiamcalor suficiente. O ventilador logo a cima da resistência força o ar quente para baixo, 
num processo denominado convecção forçada. 
 
 
Unidade 3 - Gases, 1ª e 2ª Lei da Termodinâmica 
 
Questão Discursiva 1: 
 
Um tanque cilíndrico possui um pistão bem ajustado que permite alterar o volume do 
cilindro. O tanque inicialmente contém 0,11 m3 de ar a uma pressão de 3,4 atm. O pistão é 
puxado lentamente para fora até que o volume do gás aumente para 0,39 m3. Sabendo que a 
temperatura permaneceu constante, qual é a pressão final? 
 
Solução: 
 
Podemos relacionar a pressão, volume e temperatura em uma transformação de um 
gás ideal através da seguinte relação: 
 
𝑃1𝑉1
𝑇1
=
𝑃2𝑉2
𝑇2
 
Como a temperatura permaneceu constante, podemos cancelar as temperaturas. 
Assim: P1.V1 = P2.V2 
Não é necessário converter a pressão de atm para Pa, pois o mesmo fator de 
conversão se aplica dos dois lados da igualdade. Substituindo os valores: 
3,4 atm x 0,11 m3 = P2 x 0,39 m3 
P2 = 0,96 atm 
Resposta: A pressão final é de 0,96 atm = 9,696x104 Pa 
 
Questão Discursiva 2: 
 
Um gás realiza dois processos. No primeiro, o volume permanece constante a 0,2 m3 e a 
pressão cresce de 2 x 105 Pa até 5 x 105 Pa. O segundo processo é uma compressão até o 
volume de 0,12 m3, sob pressão constante de 5 x 105 Pa. 
a) Calcule o trabalho total realizado pelo gás. 
b) Se no primeiro processo o sistema recebeu 800 J de calor e no segundo processo o sistema 
perdeu 1200 J de calor, qual é a variação da energia interna total referente a esses dois 
processos? 
 
Solução: 
 
a) O trabalho total é a soma dos trabalhos nos dois processos. 
No primeiro processo o volume permanece constante, logo o trabalho é nulo, W1 = 0. 
No segundo processo a pressão permanece constante, assim o trabalho é dado por: 
W2 = p. ΔV = 5 x 105 Pa.(0,12 – 0,20) m3 = – 4,0 x 104 J 
O trabalho total é a soma dos trabalhos realizados nos dois processos: 
Wtotal = W1 + W2 
Wtotal = 0 + 5 x 105(0,12 – 0,20) = – 4,0 x 104 J 
Resposta: O trabalho realizado nos dois processos é igual a W = – 4,0 x 104 J 
 
b) Podemos determinar a variação da energia interna do sistema, a partir da primeira Lei 
da Termodinâmica: ΔU = Q – W, onde usaremos o Wtotal e o Qtotal 
No primeiro processo o sistema recebe 800 J, logo Q1 = 800 J. 
No segundo processo, como o volume é reduzido a pressão constante, a temperatura 
diminui. Assim, o sistema perde 1200 J de calor, então Q2 = – 1200 J 
Segue a resolução correta, considerando o calor Q2 negativo: 
ΔU = (Q1 + Q2) – Wtotal 
ΔU = 800 J + (– 1200 J) – (– 4,0 x 104 J) 
ΔU = 800 J – 1200 J + 4,0 x 104 J 
ΔU = 3,96 x 104 J 
Resposta: A variação da energia interna do sistema é ΔU =3, 96 x 104 J. 
 
 
Questão Discursiva 3: 
 
Uma máquina de Carnot opera entre dois reservatórios com temperaturas de 520 K e 300 K. 
a) Se a máquina recebe 45 kJ de calor do reservatório, a 520 K em cada ciclo, quantos Joules 
por ciclo ela rejeita ao reservatório a 300 K? 
b) Qual é o trabalho mecânico produzido pela máquina durante cada ciclo? 
c) Qual é a eficiência térmica da máquina? 
 
Solução: 
 
a) A temperatura do reservatório quente é TQ = 520 K e a temperatura do reservatório 
frio é TF = 300 K. O calor absorvido do reservatório quente é QQ = 45 kJ. Para determinar o 
calor rejeitado para o reservatório frio, usamos a relação válida para uma máquina de 
Carnot: 
 
|𝑄𝑄|
|𝑄𝐹|
=
𝑇𝑄
𝑇𝐹
 
Substituindo os valores: 
45×103𝐽
|𝑄𝐹|
=
520 𝐾
300 𝐾
 e isolando o QF obtemos: |QF|= 2,596 x 104 J 
Resposta: O calor rejeitado ao reservatório frio é |QF|= 2,596 x 104 J. 
 
b) O trabalho é dado por: W = |QQ| - |QF|= 45 x 103 J - 2,596 x 104 J = 1,904 x 104 J 
Resposta: O trabalho realizado pela máquina a cada ciclo é W = 1,904 x 104 J. 
 
c) A eficiência de uma máquina térmica é dada por: 
e = W/ QQ = 1,904 x 104 J / 45 x 103 J = 0,4231 = 42,31 % 
Resposta: A eficiência da máquina é de 42,31 %. 
 
 
Questão Discursiva 4: 
 
Um mol de moléculas de um gás ideal sofre uma transformação isotérmica, conforme a figura. 
a) Determine o volume em B. 
b) Sabendo que o gás realizou um trabalho igual a 140 J, qual é a quantidade de calor que ele 
recebeu? 
c) Qual é a temperatura em que esse processo ocorreu? 
 
Solução: 
 
a) Como a transformação é isotérmica então TA = TB, assim vale a relação: 
PA×VA = PB×VB. Substituindo os valores: 
2 atm × 1 L = 1 atm × VB 
VB = 2 L 
Resposta: O volume do gás no estado B é VB = 2 L. 
 
b) Como a transformação é isotérmica, temos ΔU = 0 (a energia interna depende da 
variação da temperatura). De acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica: 
ΔU = Q – W 
0 = Q – 140 J 
Q = 140 J 
Resposta: A quantidade de calor que o gás recebeu no processo AB foi Q = 140 J 
 
c) Usando a lei dos gases, p.V = n.R.T e substituindo os valores do estado A (por exemplo), 
onde a constante dos gases R = 0,082 atm.L / mol.K obtemos: 
2 atm x 1 L = 1 x 0,082 (atm.L / mol.K) x T  T = 2 K / 0,082 
T = 24,39 K 
Resposta: A temperatura durante a transformação isotérmica é de 24,39 K. 
 
 
Questão Discursiva 5: 
 
Uma geladeira possui um coeficiente de performance igual a 2,40. Ela deve resfriar 1,80 kg de 
água a 25,0°C até a temperatura de 0°C, em uma hora. 
a) Qual é a quantidade de calor que deve ser removida da água? 
b) Qual é a quantidade de calor desperdiçado, rejeitado para a sala na qual a geladeira está 
localizada? 
 
Solução: 
 
Para é resolução desse exercício é importante lembrar que um refrigerador retira calor da 
fonte fria (ambiente a ser refrigerado, dentro dele) e desperdiça para a fonte quente 
(ambiente a qual ele está) através do recebimento de trabalho (trabalho elétrico, no caso de 
um refrigerador doméstico). 
Enquanto um motor (exemplo, um motor de carro ou máquina térmica que realiza 
trabalho), recebe calor da fonte quente (combustão da mistura ar-combustível), desperdiça 
calor para a fonte fria (meio ambiente) para realizar trabalho (movimentar o carro). 
Esquemas são apresentados a seguir. 
Lembre-se também que a fonte quente é a fonte a maior temperatura. 
 
 
 
a) A quantidade de calor a ser retirada é a necessária para resfriar a água de 25 oC até 0 oC 
e pode ser determinada pela relação da calorimetria: Q = m.c.ΔT 
onde a massa da água é m = 1,80 kg, o calor específico da água é c = 4190 J/kg.K e a 
variação de temperatura ΔT = (0 – 25) oC = – 25 oC 
Substituindo os valores encontramos: 
Q = m.c.ΔT = 1,8 kg x 4190 J/kg.K x (-25 oC) = 
Q = - 1,89 x 105 J (calor retirado, logo é negativo). 
 
Resposta: 1,89 x 105 J de calor devem ser removidos da água. 
 
b) Para descobrir a quantidade de calor rejeitada para a sala (fonte quente) primeiro 
determinamos o trabalho realizado pelo refrigerador a partir da definição do coeficiente 
de performance do refrigerador dada por: Kp = |QF|/W 
Isolando o trabalho W encontramos: 
W = |QF|/ Kp = 1,89 x 105 J / 2,40 
W = 7,88 x 104 J 
Agora podemos determinar o calor rejeitado para a sala através da relação: 
|QQ| = |QF| + |W| = 1,89 x 105 J + 7,88 x 104 J 
|QQ| = 2,68 x 105 J 
 
Resposta: O calor rejeitado para a sala é |QQ| = 2,68 x 105 J 
 
 
Unidade 4 - Movimentos Periódicos e o Movimento Harmônico Simples 
 
 
Questão Discursiva 1: 
 
Um corpo massa 0,12 Kg executa um MHS de amplitude 8,5 cm e período 0,20 s. Se ele está 
preso a uma mola, determine: (a) a constante elástica dessa mola; (b) o módulo da força máxima 
que atua sobre ele. 
 
Solução: 
 
a) Primeiro encontramos o valor da frequência angular do movimento: 
w = 2xpi / T = 2x3,14 rad / 0,20 s = 31,4 rad/s 
A constante elástica da mola é dada por: 
k = m.w2 = 0,12x31,42 = 118,3 N/m 
Resposta: A constante elástica da mola é 118,3 N/m. 
b) O módulo da forçamáxima que atua sobre o corpo é o módulo da força elástica 
quando a sua deformação é igual ao máximo afastamento que é a amplitude: 
 x = 8,5 cm = 0,085 m 
|F| = |Kx| = 118,3 N/m x 0,085 m = 10,06 N 
Resposta: O módulo da força máxima que atua sobre o corpo é igual a 10,06 N. 
 
 
 
 
 
Questão Discursiva 2: 
 
Um oscilador massa-mola, cuja massa é 2 kg, oscila a partir de sua posição de equilíbrio. 
Sabendo que a constante elástica da mola é 40 N/m, calcule a velocidade angular e a frequência 
desse oscilador. 
 
Solução: 
 
Calculamos a velocidade angular a partir da seguinte equação: ω 2 = k/m. Assim: 
ω = raiz quadrada (k/m) = raiz (40/2) = raiz (20) = √k/ √m= √40/ √2 
ω = 4,47 rad/s 
Depois, determinamos a frequência: 
ω = 2 π f 
4,47 = 2 π f 
f = 4,47/ 2x3,14 = 0,71 Hz 
Resposta: A velocidade angular do oscilador é 4,47 rad/s e a sua frequência é 0,71 Hz. 
 
 
Questão Discursiva 3: 
 
Um relógio de pêndulo, na Terra, dá 4 tiques a cada segundo, cada tique corresponde a metade 
do período. Determine o tamanho do pêndulo desse relógio. 
 
Solução: 
 
Como o relógio efetua 4 tiques a cada segundo então cada tique leva 0,25 s. 
A questão diz que cada tique corresponde a metade do período. 
Assim, o período é o tempo de 2 tiques que é igual a T = 0,25 s x 2 = 0,5 s. 
 
O período do pêndulo simples é dado por: 𝑇 = 2𝜋√𝑙/𝑔 
Elevamos a equação ao quadrado e isolamos o comprimento L: 
L = (T2.g) / (2.pi)2 = (0,52 x 9,8) / (2x3,14)2 = 6,2 x 10-2 m = 0,062 m = 6,2 cm 
Resposta: O pêndulo tem um comprimento de 6,2 cm. 
 
 
Questão Discursiva 4: 
 
Determine o período do ponteiro de segundos de um relógio e calcule a sua frequência angular. 
 
Solução: 
 
O ponteiro de segundos gasta 60 s para dar uma volta completa, logo o seu período é 
T = 60 s. 
 A frequência é o inverso do período, logo: 
f = 1/T = 1/60 s = 1,67 x 10-2 Hz 
A frquência angular é dada por: 
 ω = 2πf = 0,105 rad/s. 
Resposta: O período do ponteiro de segundos de um relógio é T = 60 s e a sua frquência 
angular é igual a 0,105 rad/s. 
 
Questão Discursiva 5: 
 
Qual é o módulo da aceleração máxima de uma plataforma que oscila com uma amplitude de 
0,022 m, com uma frequência de 6,6 Hz? 
 
Solução: 
 
O módulo da aceleração máxima é dado por amax = ω2.A onde ω = 2 πf. 
Assim: ω = 2 πf = 2 x 3,14 rad/s x 6,6 Hz = 41,45 rad/s 
Logo: amax = ω2.A = (41,45)2 x 0,022 = 37,8 m/s2 
Resposta: O módulo da aceleração máxima da plataforma é igual a 37,8 m/s2.