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MHS e Termodinâmica: Exercícios e Exemplos Resolvidos – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori 1 Exercícios 1. Condução através de uma geladeira de isopor. Uma caixa de isopor usada para manter bebidas frias em um piquenique possui área total (incluindo a tampa) igual a 0.80m 2 e a espessura da parede é de 2.0 cm. Ela está cheia de água, gelo e latas de Omni-Cola a 0 0 C. Qual é a taxa de fluxo de calor para o interior da caixa se a temperatura da parede externa for igual a 30 0 C? Qual a quantidade de gelo que se liquefaz durante um dia? Dado: isopor=0.010 W/(m.K) 2. Uma barra de aço de 10.0 cm de comprimento é soldada pela extremidade com uma barra de cobre de 20.0 cm de comprimento. As duas barras são perfeitamente isoladas em suas partes laterais. A seção reta das duas barras é um quadrado de lado 2.0 cm. A extremidade livre da barra de aço é mantida a 100 0 C colocando-a em contato com vapor d’água obtido por ebulição, e a extremidade livre da barra de cobre é mantida a 0 0 C colocando-a em contato com o gelo. Calcule a temperatura na junção entre as duas barras e a taxa total da transferência de calor. e TA dt dQ 46 401aço Cu W W m K m K e R A 2 2 2 10 10 46 2 10 Aço Aço Aço Aço e R R A 5.435Aço W R K 2 2 2 20 10 401 2 10 Cu Cu Cu Cu e R R A 1.2468Cu W R K 5.436 1.2468s aço Cu sR R R R 6.682s W R K 100 0 6.682s dQ T dt R 14.965W aço aço aço aço A e 2 2 2 46 2 10 100 14.965 10 10 2 2 2 14.965 10 10 100 46 2 10 81.3 100 100 81.3 18.7 C 3. No exemplo anterior, suponha que as barras estejam separadas. Uma extremidade é mantida a 100 0 C e a outra extremidade é mantida a 0 0 C. Qual a taxa total de transferência de calor nessas duas barras? 4. Radiação do corpo humano. Sabe-se que a área total do corpo humano é igual a 1.20m 2 e que a temperatura da superfície é 30 0 C = 303K. Calcule a taxa total de transferência de calor do corpo por radiação. Se o meio ambiente está a uma temperatura de 20 0 C, qual é a taxa resultante do calor perdido pelo corpo por radiação? A emissividade e do corpo é próxima da unidade, independentemente da cor da pele. Dados: Lei de Stefan-Boltzmann: 4 iH A e T 4 4s iH A e T T Constante de Stefan-Boltzmann: 8 2 4 5.67 10 W m K 4 8 41.2 1 5.67 10 303H A e T H 573.5H W 4 4s iH A e T T 48 41.2 1 5.67 10 273 20 303H 8 4 41.2 1 5.67 10 293 303H 72H W 5. Uma placa quadrada de aço, com lado igual a 10 cm, é aquecida em uma forja de ferreiro até uma temperatura de 800 0 C. Sabendo que a emissividade é igual a 0.60, qual é a taxa total de energia transmitida por radiação? 10exp(-)2/(46*(2exp(-)2)^2) MHS e Termodinâmica: Exercícios e Exemplos Resolvidos – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori 2 6. Um chip com embalagem de cerâmica de 40 pinos possui rtérm = 40 K/W. Se a temperatura máxima que o circuito pode tolerar com segurança não pode superar 120 0 C, qual é o mais elevado nível de potência que o circuito pode tolerar com segurança para uma temperatura ambiente igual a 75 0 C? 7. Tira-se de uma fornalha uma peça fundida pesando 50 kgf, quando a temperatura era de 400°C, sendo colocada num tanque contendo 400 kg de óleo a 30°C. A temperatura final é de 40°C e o calor específico do óleo, 0,5 cal-g -1 ( 0 C) -1 . Qual o calor específico da peça fundida? Desprezar a capacidade calorífica do tanque e quaisquer perdas de calor. 0 0o p o o o p p pQ Q m c m c 400 0,5 40 30 50 40 400 0pc 00,11 cal p g C c 8. A evaporação do suor é um mecanismo importante no controle da temperatura em animais de sangue quente. Que massa de água deverá evaporar-se da superfície de um corpo humano de 80 kg para resfriá-lo 1°C? O calor específico do corpo humano é aproximadamente l cal g -1 • (°C) -1 e o calor latente de vaporização da água na temperatura do corpo (37°C) é de 577 cal • g -1. Quantidade de calor perdida pelo corpo humano na variação de 1 0 C: 80000 1 1 80000Q mc Q cal 80000 138.65 577 L L v v Q Q mL m g L 9. Para as radiações abaixo, dados os intervalos extremos de comprimento de onda, encontre os intervalos correspondentes em freqüência (Hz) e energia (eV). c c f f 8 14 max9 3 10 4,823 10 622 10 f f 8 14 min9 3 10 3,8961 10 770 10 f f E h f 346,62 10h J s Espectr o visível Visible Cores maxmin (nm) maxminf f f (10 14 Hz) c f maxminE E E (eV) 1240 E eV nm Red – Vermelh o 622 -770 3,896 – 4,823 1,61 – 1,99 Orange – Laranja 597 - 622 4,823 – 5,025 1,99 – 2,08 Yellow – Amarelo 577 - 597 Green – Verde 492 - 577 Blue – Azul 455 - 492 Violet – Violeta 390 - 455 c E h 8 34 3 106,62 10E 251,986 10 E J m 1eV=1,6 10 -19 J 25 19 9 1 1,986 10 1,6 10 10 E eV nm 1240 E eV nm min min 1240 1,61 770 E eV E eV 10. Área do filamento de uma lâmpada de tungstênio. A temperatura de operação do filamento de tungstênio de uma lâmpada incandescente é igual a 2450K e sua emissividade é igual a 0.35. Calcule a área da superfície do filamento de uma lâmpada de 150 W supondo que toda a energia elétrica consumida pela lâmpada seja convertida em ondas eletromagnéticas pelo filamento. (Somente uma fração do espectro irradiado corresponde à luz visível.) 11. Raios de estrelas. A superfície quente e brilhante de uma estrela emite energia sob a forma de radiação eletromagnética. É uma boa aproximação considerar e = 1 para estas superfícies. Calcule os raios das seguintes estrelas (supondo que elas sejam esféricas): MHS e Termodinâmica: Exercícios e Exemplos Resolvidos – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori 3 (a) Rigel, a estrela brilhante azul da constelação Órion, que irradia energia com uma taxa de 2.7.10 32 W e a temperatura na superfície é igual a 11000K. (b) Procyon B (somente visível usando um telescópio), que irradia energia com uma taxa de 2.1.10 23 W e a temperatura na sua superfície é igual a 10000K. (c) Compare suas respostas com o raio da Terra, o raio do Sol e com a distância entre a Terra e o Sol. (Rigel é um exemplo de uma estrela supergigante e Procyon B é uma estrela anã branca. Lei de Stefan-Boltzmann (a) 4H A e T 24A R 2 8 4 5.6699 10 W m K (constante de Stefan-Boltzmann paraa radiação do corpo-negro) 322.7 10H W Emissividade e = 1 T = 11000K 2 44H R e T 2 44 H R e T 44 H R e T 32 8 4 2.7 10 4 1 5.6699 10 11000 R Raiz(2.7EXP32/(4*Pi*1*5.6699exp(-)8*11000^4)) A é a área da esfera - 111.6088 10R m DT-S=1.496.10 11 m RS = 6.96.10 8 m RT = 6.37.10 6 m 12. Determine o comprimento da barra indicado para que o fluxo de calor seja de 250W. Dados: condutividade térmica: cobre: Cu 385,0 J(s m°C) -1 aço: Aço 50,2 J(s m°C) -1 13. A Lei do deslocamento de Wien é obtida, impondo-se 0T Para: d e hc d Tk chT 1 18 5 Utilizando a Lei do deslocamento de Wien: max 2.898 mm K T Ache a que temperatura corresponde ao máximo comprimento de max = 305 nm. (b) Aplicando a Lei de Stefan-Boltzman: 4H A e T : constante de Stefan-Boltzmann. 2 4 85.6699 10 W m K Encontre a potência dissipada nessa temperatura, assumindo área 20 cm 2 e emissividade e = 1; 14. Duas barras metálicas, cada qual com 5 cm de comprimento e seção reta retangular de 2 cm por 3 cm, estão montadas entre duas paredes, uma mantida a 100 0 C e outra a 0 0 C. Uma barra é de chumbo (Pb) e a outra é de prata (Ag). Calcular: (a) A corrente térmica através das barras. (b) a temperatura da superfície de contato das duas. Dado: Condutividades térmicas: Pb = 353 W/(m.K) Ag = 429 W/(m.K) 15. As duas barras do exemplo anterior são montadas como ilustra a figura a seguir. Calcular: (a) A corrente térmica em cada barra metálica. (b) A corrente térmica total. (c) A resistência térmica equivalente desta montagem. 16. A temperatura superficial do Sol é cerca de 6000K. MHS e Termodinâmica: Exercícios e Exemplos Resolvidos – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori 4 (a) Se admitirmos que o Sol irradia como um corpo negro, em que comprimento de onda max se localizará o máximo da distribuição espectral? (b) Calcular max para um corpo negro a temperatura ambiente, cerca de 300 K. 17. Calcular a perda de energia líquida de uma pessoa nua numa sala a 20 0 C, admitindo que irradie como um corpo negro de área superficial igual a 1.4 m 2 , na temperatura de 33 0 C. A temperatura superficial do corpo humano é ligeiramente mais baixa que a temperatura interna de 37 0 C, em virtude da resistência térmica da pele. 18. Na prática de construção civil, nos países de língua inglesa, especialmente nos Estados Unidos, é costume utilizar o fator R, simbolizado por Rf, que é a resistência térmica por pé quadrado do material. Assim, o fator R é igual ao quociente entre a espessura do material e a condutividade térmica: f e R R A A tabela ilustra os fatores de R para alguns materiais de construção. Tabela 1 – Fatores R para alguns materiais de construção. Material e (in) Rf (h.ft 2 .F/Btu) Chapas divisórias Gesso ou estuque 0.375 0.32 Compensado (pinho) 0.5 0.62 Painéis de madeira 0.75 0.93 Carpetes 1.0 2.08 Isolamento de teto 1.0 2.8 Manta asfáltica 1.0 0.15 Chapas de madeira asfáltica 1.0 0.44 Um telhado de 60 ft por 20 ft é feito de chapa de pinho, de 1 in, cobertas por chapas de madeira asfáltica. (a) Desprezando a superposição das chapas de madeira, qual a taxa de condução de calor através do telhado, quando a temperatura no interior da edificação for de 70 0 F e no exterior 40 F ? (b) Calcular a taxa de condução de calor se à cobertura anterior forem superpostas 2 in de isolamento especial para telhados. 19. A equação: F Y T A Fornece a tensão necessária para manter a temperatura da barra constante à medida que a temperatura varia. Mostre que se o comprimento pudesse variar de ΔL quando sua temperatura varia de ΔT, a tensão seria dada por: 0 L F A Y T L Onde: F: tensão na barra. L0: comprimento original da barra. Y: Módulo de Young. Α: coeficiente de dilatação linear. 20. Uma placa quadrada de aço de 10 cm de lado é aquecida em uma forja de ferreiro até 100 0 C. Se sua emissividade é e = 0.60, qual será a taxa total de energia emitida por radiação ? 21. Determine: (a) As resistências térmicas do cobre, do aço e a equivalente. (b) O fluxo de calor através da barra de cobre de seção quadrada da figura. A temperatura na interface. Dados: condutividade térmica: cobre: Cu 385,0 J(s m°C) -1 aço: Aço 50,2 J(s m°C) -1 e TA dt dQ e R A 22. – O espectro típico de uma lâmpada fluorescente está indicado abaixo: (a) Utilizando a Lei do deslocamento de Wien: max 2.898 mm K T Ache a que temperatura corresponde ao máximo comprimento de onda dessas lâmpadas. Observe que o pico em comprimento de onda ocorre para essas lâmpadas em torno de max = 305 nm. (b) Aplicando a Lei de Stefan-Boltzman: 4H A e T : constante de Stefan-Boltzmann. 2 4 85.6699 10 W m K MHS e Termodinâmica: Exercícios e Exemplos Resolvidos – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori 5 Encontre a potência dissipada nessa temperatura, assumindo área 20 cm 2 e emissividade e = 1; 23. As lâmpadas UV fluorescentes são usualmente categorizadas como lâmpadas UVA, UVB ou UVC, dependendo da região em que maior parte de sua irradiação se situa. O espectro UV está dividido dentro de três regiões: Região UVA, 315 a 400 nanômetros; Região UVB, 280 a 315 nanômetros; Região UVC, abaixo de 280 nanômetros. Complete a relação da tabela. Dados: c f ; E h f 346,62 10h J s ; c= 3.10 8 m/s; 1240 E eV nm 24. – Se colocarmos as barras indicadas numa ligação em paralelo encontre a resistência térmica equivalente e o fluxo total de calor. Dados: condutividade térmica: cobre: Cu 385,0 J(s m°C) -1 aço: Aço 50,2 J(s m°C) -1 e TA dt dQ e R A 25. – Explique o mecanismo das brisas oceânicas. 26. Determine o comprimento da barra indicado para que o fluxo de calor seja de 250W. 27. Uma camada esférica de condutividade térmica k tem um raio interno r1 e um raio externo r2. A camada interna está a uma temperatura T1 e a externa a uma temperatura T2. Mostre que a corrente térmica é dada por: 1 2 2 1 2 1 4 k r r T T r r Solução: k A T k A dr dT e 24k r dr dT 2 4dr k dT r Região ( 0 A ) f (Hz) E (eV) UVA > 10 9 < 3 x 10 9 < 10 -5 UVB 10 9 - 10 6 10 -5 - 0.01 UVC10 6 - 7000 3 x 10 12 - 4.3 x 10 14 Visível 4.3 x 10 14 - 7.5 x 10 14 2 - 3 MHS e Termodinâmica: Exercícios e Exemplos Resolvidos – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori 6 2 2 1 1 2 4 R T R T dr k dT r 2 2 1 1 1 4 r R T T T T r R k T r 2 1 2 1 1 1 4 k T T R R 2 1 2 1 1 1 4 k T T R R 2 1 2 1 1 2 4R R k T T R R 1 2 2 1 2 1 4 k R R T T R R 28. O raio interno a de uma casca cilíndrica está mantido a uma temperatura Ta enquanto seu raio externo b está a uma temperatura Tb. A casca cilíndrica possui uma condutividade térmica uniforme k. Mostre que o fluxo sobre a casca cilíndrica é dada por: 2 ln a bT TL k b a Solução: k A T k A dr dT e 2k r L dr dT 2dr k L dT r 2 b a Tb a T dr k L dT r 2 ln b a r b T T r a T T k L r T 2 ln ln b a k L b a T T 2 ln b a k L b a T T 2 ln b aT TL k b a Fluxo de dentro para fora. Fluxo de fora para dentro: 2 ln b aT TL k b a 2 ln a bT TL k b a 29. A seção de passageiros de uma avião a jato tem a forma de uma tubulação cilíndrica com 35m de comprimento e raio interno 2.50m. Sabe-se que a espessura do tubo que compõe o avião é cerca de 6 cm e tem uma condutividade térmica dada por 4.10 - 5 cal/(s.cm°C). A temperatura deve ser mantida dentro em cerca de 25°C e fora do avião na altitude de cruzeiro é cerca de -35°C. Que potência deve ser feita para que se mantenha essa diferença de temperatura? Solução: 2 ln a bT TL k b a 30. Um engenheiro desenvolve um dispositivo para aquecer a água, como mostrado na figura. A indicação do termômetro na entrada da água, que flui a 0.500 kg/min é de 18°C. A indicação do voltímetro é 120 V e a do amperímetro é 15 A. Determine a indicação do termômetro na saída. Solução: 120 15P V i P 1800P W Q m Q m c c t t m P c t MHS e Termodinâmica: Exercícios e Exemplos Resolvidos – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori 7 1000 0.500 0.500 min 60 m kg m g t t s 8.333 m g t s 1 4.18 cal J c c g C g C 1800 8.333 4.18 34.833 1800 51.67 8.333 4.18 51.67 18 51.67f i f 69.67f C 31. Explique como se dá o congelamento da água na superfície de um lago com a diminuição gradativa da temperatura, observando como varia a densidade da água com a temperatura indicada na figura a seguir. 31. Uma massa de 1 g de gelo a -30°C é aquecida e transformada em 1g de vapor a 120°C. Qual a quantidade de calor necessária para o processo ocorrer? Dados: Calor específico do gelo: 2090g J c kg C Calor específico da água: 4190g J c kg C Calor específico do vapor dágua: 2010g J c kg C Calor específico latente de fusão do gelo: 53.33 10F J L kg Calor específico latente de vaporização da água: 62.26 10V J L kg MHS e Termodinâmica: Exercícios e Exemplos Resolvidos – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori 8 32. Mostre que a temperatura T na interface dos materiais de condutividades térmicas k1 e k2 é dada por: 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 k L T k L T T k L k L 33. Determine a temperatura na interface entre as barras de ouro e prata, de mesmo comprimento e área, indicada abaixo. 34. Um fogão solar consiste em um espelho na forma de um parabolóide onde o material a ser aquecido é colocado em seu foco (no qual ocorre a convergência dos raios solares refletidos pela superfície parabólica do espelho), como ilustra a figura. A potência solar incidente por unidade de área no local em que é feito o aquecimento é de 500 W/m², e o fogão tem um diâmetro de 0.6 m. Assumindo que 40 % da energia incidente é transferida para a água, quanto tempo levará para ferver 0.5 L de água inicialmente a 20°C? MHS e Termodinâmica: Exercícios e Exemplos Resolvidos – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori 9 MHS - Pêndulo Simples e Energia Mecânica 1. A corda de um piano emite um dó médio vibrando com uma freqüência primária igual a 220 Hz. (a) Calcule o período e a freqüência angular, (b) Calcule a freqüência angular de um soprano emitindo um "dó alto", duas oitavas acima, que é igual a quatro vezes a freqüência da corda do piano. 2. Um corpo é deslocado 0,120 m da sua posição de equilíbrio e libertado com velocidade inicial igual a zero. Depois de 0,800 s seu deslocamento é de 0,120 m no lado oposto e ultrapassou uma vez a posição de equilíbrio durante este intervalo. Ache: (a) a amplitude, (b) o período, (c) a freqüência. 3. Ao projetar uma estrutura em uma região propensa à ocorrência de terremotos, qual deve ser a relação entre a freqüência da estrutura e a freqüência típica de um terremoto? Por quê? A estrutura deve possuir um amortecimento grande 01 pequeno? 4. Um corpo de massa desconhecida é ligado a uma mola k cuja constante é igual a 120 N/m. Verifica-se que ele oscila com um com uma freqüência igual a 6,00 Ache: (a) o período, (b) a freqüência angular, (c) a massa do corpo. 5. Um oscilador harmônico é feito usando-se um bloco sem atrito de 0,600 kg e uma mola ideal cuja constante é desconhecida. Verifica-se que ele oscila com um período igual a 0,150 s. Ache o valor da constante da mola. 6. Temos um oscilador harmônico possui massa de 0,500 kg e uma mola ideal cuja constante é igual a 140 N/m. Ache (a) o período, (b) a freqüência, (c) a freqüência angular. 7. A corda de um violão vibra com uma freqüência igual a 40 Hz. Um ponto em seu centro se move com MHS com amplitude igual a 3,00 mm e um ângulo de fase igual a zero. (a) Escreva uma equação para a posição do centro da corda em função do tempo; (b) Quais são os valores máximos dos módulos da velocidade e da aceleração do centro da corda? c) A derivadada aceleração em relação ao tempo pode ser chamada de "arrancada". Escreva uma equação para a arrancada do centro da corda em função do tempo e calcule o valor máximo do módulo da arrancada. 8. Um bloco de 2,00 kg sem atrito está presa a uma mola leal cuja constante é igual a 300 N/m. Para t = O a mola não está imprimida nem esticada e o bloco se move no sentido negativo com 12,0 m/s. Ache: (a) a amplitude, (b) o ângulo de fase. (Escreva uma equação para a posição em função do tempo). 9. Repita o Exercício anterior, porém suponha que para t = 0s o bloco possua velocidade -4,00 m/s e deslocamento igual+0,200 m. 10. A extremidade da agulha de uma máquina de costura se move com MHS ao longo de um eixo Ox com uma freqüência igual a 2,5 Hz. Para t = 0 os componentes da posição e da velocidade são +1,1 cm e -15 cm/s. (a) Ache o componente da aceleração da agulha para t = 0. (b) Escreva equações para os imponentes da posição, da velocidade e da aceleração do ponto considerado em função do tempo. 11. x Escreva as equações de x(t), v(t) e a(t). 12. Um certo pêndulo simples possui na Terra um período igual a l,60 s. Qual é o período na superfície de Marte onde g = 3,71 m/s 2 ? 13. Escreva a equação diferencial do pêndulo simples da figura e sua solução (t). MHS e Termodinâmica: Exercícios e Exemplos Resolvidos – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori 10 14. Calcule o período, a freqüência angular para um relógio típico. 15. MHS no motor de um carro. O movimento do pistão no interior do motor de um carro é aproximadamente um MHS. (a) Sabendo que o percurso (o dobro da amplitude) é igual a 0,100 m e que o motor gira com 3500 rev/min, calcule a aceleração do pistão no ponto final do percurso, (b) Sabendo que a massa do pistão é igual a 0,450 kg, qual é a força resultante exercida sobre ele neste ponto? (c) Calcule a velocidade e a energia cinética do pistão no ponto médio do percurso, (d) Qual é a potência média necessária para acelerar o pistão do repouso até a velocidade calculada no item (c)? e) Se o motor gira com 7000 rev/min, quais são as respostas das partes (b), (c) e (d)? 16. Um bloco de 2,00 kg sem atrito está presa a uma mola leal cuja constante é igual a 300 N/m. Para t = O a mola não está imprimida nem esticada e o bloco se move no sentido negativo com 12,0 m/s. Ache: (a) a amplitude, (b) o ângulo de fase (c) Escreva uma equação para a posição em função do tempo. (d) Escreva v(t) e a(t) em função do tempo. 2 2 0 0 0 m v x x ; 0 0 v arctg x ; 0mx t x sen t ; k m ; 2 T 17. (a) Encontre as expressões para a posição, velocidade e aceleração instantânea. (b) Assumindo a massa do corpo 1 kg encontre a energia cinética e potencial elástica para x = A e x = A /2. (c) Qual o valor da energia mecânica? (d) Esboce os gráficos de Ec(t), Ek(t) e Em(t) usando o programa disponível. MHS e Termodinâmica: Exercícios e Exemplos Resolvidos – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori 11 Oscilações amortecidas 1. A figura mostra um tipo de oscilação amortecida e as curvas x(t) para dois casos de subamortecimento. Discuta quais deles possui maior constante de amortecimento c. 2. Dados: 0 k m ; 02cc m Amortecimento supercrítico c > cc : tt BeAetx 21)( ; Com: 2 2 1,2 0 2 2 c c m m 0 2 0 2 1 x v A ; 0 0 1 2 1 v x B Amortecimento crítico c = cc : t eBtAtx 0)()( ; 0A x ; 0 0 0B v x Amortecimento subcrítico c < cc 2( ) cos c t mx t e A t Bsen t ou 2( ) ( ) c t m mx t x e sen t 2 0 1 c c q c 2 0 1 c c q c ; 0 0 0 2 2 m x arctg mv cx ; 2 2 0 0 0 2 2 m mv cx x x m Chamamos de período da vibração amortecida: 2 Discuta os casos possíveis de amortecimento em função da constante de amortecimento crítica cc e construa os gráficos de posição x(t), velocidade v(t) e aceleração a(t) para os seguintes osciladores livres, através do programa do site www.claudio.sartori.nom.br: (i) c = 0. i k (N/m) m(kg) x(t=0) (m) v(t=0) (m/s) 1 400 1 0,50 1,00 2 1600 25 0,05 0,50 3 200 5 0,01 0,35 4 5000 12 0,25 0,50 Para cada caso, encontre: (a) A freqüência f, a freqüência angular 0 ,o período T. (b) A velocidade máxima e a aceleração máxima. Construa os gráficos de posição x(t), velocidade v(t) e aceleração a(t) para os seguintes amortecedores: MHS e Termodinâmica: Exercícios e Exemplos Resolvidos – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori 12 k (N /m ) m (k g ) c (N .s /m ) x( t= 0 )= x 0 (m ) v( t= 0 )= v 0 ( m /s ) 1 400 1 8 0,50 1,00 2 400 1 40 0,50 1,00 3 400 1 80 0,50 1,00 4 1600 25 65 0,05 0,50 5 200 5 1200 0,01 0,35 6 5000 12 356 0,25 0,50 Para cada caso, encontre: (a) A freqüência f, a freqüência angular 0 ,o período T. (b) A velocidade máxima e a aceleração máxima. 3. A figura mostra a ponte de Tacoma Narrows, destruída 4 meses e 6 dias após sua inauguração, devido à vibrações de torção e com freqüência de ressonância de aproximadamente 0.2 Hz. Faça uma pesquisa sobre esse caso na internet comentando sobre a aplicação de vibrações forçadas. Dilatação Térmica 1. O pêndulo de um relógio é feito de alumínio. Qual a variação fracional do seu comprimento, quando ele é resfriado, passando de 25°C para 10°C? 2. Uma trena de aço de 25 m está correia à temperatura de 20°C. A distância entre dois pontos, medida com a trena num dia em que a temperatura é de 35°C, é de 21,64 m. Qual a distância real entre os dois pontos? 3. Na figura: Este tipo de dispositivo pode ser utilizado na fabricação de um termoestato. Suponha que a 30 0 C a separação das extremidades do aro circular da figura a seguir é de 1.600 cm. Qual será a separaçãoa uma temperatura de 190 0 C? MHS e Termodinâmica: Exercícios e Exemplos Resolvidos – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori 13 4. A figura ilustra como varia o volume da água com a temperatura. Esboçando um gráfico da densidade em função da temperatura, teremos: Analise a frase: “Devido a esse comportamento da água, houve vida no planetaTerra”. 5. Um termômetro a gás a volume constante é calibrado no ponto de fusão do gelo seco, CO2, a - 80 0 C e na temperatura de ebulição do álcool etílico, a 70 0 C. A figura ilustra um modelo do tipo, juntamente com a extrapolação linear feita para outros gases. Construa a relação P versus T do termômetro mencionado, sabendo que as pressões correspondentes são, respectivamente, 0.900 atm e 1.635 atm . 6. Um estudante ingeriu em um jantar cerca de 200 Cal (1 Cal =1 000cal e 1 cal = 4.18 J). Ele deseja “queimar” essa energia adquirida, fazendo o levantamento de peso de 50 kg em uma academia. Quantas vezes ele deve levantar esse peso? Assuma que a cada “puxada” no aparelho, o peso levanta-se cerca de 2.0 m. 7. Uma placa de metal de 0.05kg é aquecida a 200 0 C e em seguida colocada em um recipiente com 0.400 kg de água a 20 0 C. A temperatura de equilíbrio térmico é de e = 22.4 0 C. Determine o calor específico do metal. Dado: cágua = 4186 J/(kg.K) 8. Um cowboy atira com uma arma sobre uma moeda colocada em uma parede. A bala sai da arma a 200 m/s. Se toda a energia do impacto for convertida na forma de calor, qual será o aumento de temperatura da bala? Dado: calor específico do material que constitui a bala: cb = 234 J/(kg.K). 9. Determine a quantidade de calor para se elevar de 25 0 C a temperatura de 5 kg de cobre. Dado: cCu = 0.386 kJ/(kg.K) 10. Colocam-se 600 g de granalha de Pb a uma temperatura inicial de 100 0 C, num calorímetro de alumínio, com a massa de 200 g, contendo 500 g de H2O, inicialmente a 17.3 0 C. A temperatura final de equilíbrio do calorímetro com a granalha é de 20.0 0 C. Qual o calor específico do chumbo? Dado: cAl = 0.9 kJ/(kg.K). 11. Qual a quantidade de calor necessária para aquecer 2kg de gelo, à pressão de 1 atm, de -25 0 C, até que toda a amostra tenha se transformado em vapor de água? Dados: Calor específico latente de fusão da água: Lf = 333.5 kJ/kg Calor específico latente de vaporização da água: Lv = 2257 kJ/kg Calor específico do gelo: cg = 2.05 kJ/(kg.K). MHS e Termodinâmica: Exercícios e Exemplos Resolvidos – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori 14 12. Um jarro de limonada está sobre uma mesa de piquenique a 33 0 C. Uma amostra de 0.24 kg desta limonada é derramada num vaso de espuma de plástico e a ela se juntam 2 cubos de gelo. (cada qual com 0.,025 kg a 0 0 C). (a) Admita que não haja perda de calor para o ambiente. Qual a temperatura final da limonada ? (b) Qual seria a temperatura final se fossem 6 cubos de gelo ? Admita que a capacidade calorífica da limonada seja a mesma da água. MHS e Termodinâmica: Exercícios e Exemplos Resolvidos – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori 15 Espectros de estrelas (Adaptado de: http://docs.kde.org/stable/pt_BR/kdeedu/kstars/ai- colorandtemp.html) As estrelas parecem ser exclusivamente brancas a primeira vista. Mas se olharmos cuidadosamente, podemos notar uma faixa de cores: azul, branco, vermelho e até dourado. Na constelação de Orion, um bonito contraste é visto entre o vermelho de Betelgeuse no "sovaco" de Orion e o azul de Bellatrix no ombro. O que faz estrelas exibirem cores diferentes permanecia um mistério até dois séculos atrás, quando físicos obtiveram suficiente conhecimento da natureza da luz e propriedades da matéria em temperaturas imensamente altas. Especificamente, foi a física da radiação dos corpos negros que nos possibilitou entender a variação das cores estelares. Logo após o entendimento do que era a radiação dos corpos negros, notou-se que o espectro das estrelas parecia extremamente similar as curvas da radiação dos corpos negros em várias temperaturas, variando de poucos milhares de Kelvin até 50.000 Kelvin. A conclusão óbvia é que estrelas são semelhantes a corpos negros, e que a variação de cor das estrelas é uma consequência direta da temperatura de sua superfície. Estrelas frias (isto é, Espectro Tipo K e M) irradiam a maior parte de sua energia na região vermelha e infravermelha do espectro electromagnético e assim parecem vermelhas, enquanto estrelas quentes (isto é, Espectro Tipo O e B) emitem principalmente em comprimentos de onda azul e ultravioleta, fazendo-as parecerem azul ou brancas. Para estimar a temperatura superficial de uma estrela, podemos usar a conhecida relação entre temperatura de um corpo negro e o comprimento de onda da luz no pico de seu espectro. Isto é, conforme você aumenta a temperatura de um corpo negro, o pico de seu espectro move-se para um menor (mais azul) comprimento de onda luminoso. Isto é ilustrado na Figura 1 abaixo onde a intensidade de três estrelas hipotéticas é plotada contra o comprimento de onda. O "arco-íris" indica a faixa de comprimento de onda que é visível ao olho humano. Figura 1 – Espectro de estrelas de diferentes cores. Este método simples é conceitualmente correto, mas não pode ser usado para obter temperaturas estelares precisas, porque estrelas não são corpos negros perfeitos. A presença de vários elementos na atmosfera estelar fará com que alguns comprimentos de onda sejam absorvidos. Devido a estas linhas de absorção não serem uniformemente distribuídas no espectro, elas podem inclinar a posição do pico espectral. Além disso, obter um espectro estelar é um processo de tempo intensivo e é proibitivamente difícil para grandes amostras de estrelas. Um método alternativo utiliza a fotometria para medir a intensidade da luz passando por diferentes filtros. Cada filtro permite apenas uma parte específica do espectro passar enquanto todas as outras são rejeitadas. Um sistema fotométrico muito utilizado chama-se sistema UBV Johnson. Ele emprega três filtros de banda: U ("Ultra-violeta"), B ("Azul"), and V ("Visível"), cada uma ocupando as diferentes regiões do espectro eletromagnético. O processo de fotometria UBV envolve usar dispositivos foto sensíveis (como filmes ou câmeras CCD) e mirar um telescópio em uma estrela para medir a intensidade da luz que passa por cada filtro individualmente. Este processo fornece três luminosidades aparentes ou fluxos (quantidade de energia por cm 2 por segundo) designados por Fu, Fb e FV. A relação dos fluxos Fu/Fb e Fb/Fv é uma medida quantitativa da "cor" da estrela, e estas relações podem ser usadas para estabelecer uma escala de temperatura para estrelas. Falando genericamente, quanto maiores as relações Fu/Fb e Fb/Fv de uma estrela, mais quente é sua temperatura de superfície. Por exemplo, a estrela Bellatrixem Orion tem um Fb/Fv = 1,22, indicando que é mais brilhante pelo filtro B que pelo filtro V. Além disso, sua razão Fu/Fb é 2,22, então é mais brilhante pelo filtro U. Isto indica que a estrela deve ser muito quente mesmo, pois seu pico espectral deve estar em algum lugar na faixa do filtro U, ou até mesmo em comprimentos de onda mais baixos. A temperatura superficial de Bellatrix (determinada por comparação de seu espectro com modelos detalhados que conferem com suas linhas de absorção) é perto de 25.000 Kelvin. Podemos repetir esta análise para a estrela Betelgeuse. Suas razões Fb/Fv e Fu/Fb são 0.15 e 0.18 respectivamente, então ela é mais brilhante em V e mais opaca em U. Então, o pico espectral de Betelgeuse deve estar em algum lugar na faixa do filtro V, ou mesmo em um comprimento de onda superior. A temperatura superficial de Betelgeuse é de apenas 2,400 Kelvin. Os astrônomos preferem expressar as cores estelares em termos de diferença em magnitudes, do que uma razão de fluxos. Assim, voltando para a azul Bellatrix temos um índice de cor igual a B - V = -2.5 log (Fb/Fv) = -2.5 log (1.22) = -0.22, MHS e Termodinâmica: Exercícios e Exemplos Resolvidos – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori 16 Similarmente, o índice de cor para a vermelha Betelgeuse é B - V = -2.5 log (Fb/Fv) = -2.5 log (0.18) = 1.85 Os índices de cores, como a escala de magnitude ,correm para trás. Estrelas Quentes e azuis têm valores de B-V menores e negativos que as mais frias e vermelhas estrelas. Um Astrônomo pode então usar os índices de cores para uma estrela, após corrigir o avermelhamento e extinção interestelar, para obter uma precisa temperatura daquela estrela. A relação entre B-V e temperatura é ilustrada na Figura 2. Figura 2 – Relação B-V e temperatura. Pirômetros Um pirómetro (também denominado de pirómetro óptico) é um dispositivo que mede temperatura sem contacto com o corpo/meio do qual se pretende conhecer a temperatura. Geralmente este termo é aplicado a instrumentos que medem temperaturas superiores a 600 graus celsius. Uma utilização típica é a medição da temperatura de metais incandescentes em fundições. Um dos pirómetros mais comuns é o de absorção-emissão, que é utilizado para determinar a temperatura de gases através da medição da radiação emitida por uma fonte de referência, antes e depois da radiação incidir sobre o gás (que absorve parte da radiação). É através da análise das diferenças do espectro do gás que se consegue determinar a sua temperatura. Ambas as medições são feitas no mesmo intervalo de comprimento de onda. Outra aplicação típica do pirómetro é a medição da temperatura de metais incandescentes. Olhando pelo visor do pirómetro observa-se o metal, ajustando-se depois manualmente a corrente elétrica que percorre um filamento que está no interior do pirómetro e aparece no visor. Quando a cor do filamento é idêntica à do metal, pode-se ler a temperatura numa escala disposta junto ao elemento de ajuste da cor do filamento. MHS e Termodinâmica: Exercícios e Exemplos Resolvidos – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori 17 Descoberto por acaso o sucessor das lâmpadas incandescentes Redação do Site Inovação Tecnológica 25/10/2005 http://www.inovacaotecnologica.com.br/ Pegue um LED que produza uma luz azul intensa. Recubra-o com uma finíssima película de cristais microscópicos, chamados pontos quânticos, e você terá a próxima revolução tecnológica na iluminação, que poderá substituir virtualmente todas as atuais lâmpadas. Esse LED híbrido, descoberto por acaso pelo estudante Michael Bowers, da Universidade Vanderbilt, Estados Unidos, é capaz de emitir luz branca verdadeira, similar à emitida pelas lâmpadas incandescentes, com uma leve tonalidade de amarelo. Até agora os pontos quânticos têm recebido atenção graças à sua capacidade de produzir dezenas de cores diferentes simplesmente variando-se o tamanho dos nanocristais individuais: uma capacidade particularmente adequada à marcação fluorescente de células em aplicações biomédicas. Mas os cientistas agora descobriram uma nova forma para construir pontos quânticos capazes de produzir espontaneamente luz branca de largo espectro. Até 1993 os LEDs só produziam luzes vermelha, verde e amarela. Foi então que o pesquisador japonês Isamu Akasaki descobriu como fabricar LEDs que emitiam luz azul. Combinando LEDs azuis com outros verdes e vermelhos - ou adicionando-se fósforo amarelo aos LEDs azuis - os fabricantes conseguiram criar luz branca, o que abriu uma gama totalmente nova de aplicações para essas fontes de luz, por natureza extremamente econômicas e duráveis. Mas a luz emitda pelos "LEDs brancos" é apenas ligeiramente branca, apresentando um forte tom azulado. Os pontos quânticos de luz branca, por outro lado, produzem uma distribuição mais suave dos comprimentos de onda do espectro visível, com uma leve tonalidade amarela. Desta forma, a luz produzida pelos pontos quânticos se parece mais com as luzes de "espectro total" utilizadas para leitura, um tipo de lâmpada disponível no mercado que produz uma luz com um espectro mais próximo ao da luz do Sol do que as lâmpadas incandescentes ou fluorescentes. Além disso, os pontos quânticos, como acontece também com os LEDs, têm a vantagem de não emitir grandes quantidades de luz infravermelha, como acontece com as lâmpadas incandescentes. Essa radiação invisível produz grandes quantidades de calor e é responsável pela baixa eficiência energética desse tipo de lâmpada. Bowers estava estudando com seu colega James McBride, procurando entender como os pontos quânticos crescem. Para isso eles estavam tentando criar pontos quânticos cada vez menores. Foi então que eles criaram um lote desses nanocristais de cádmio e selênio. Esses elementos contêm 33 ou 34 pares de átomos, o que é justamente o "tamanho mágico" no qual o cristais preferencialmente se formam. Assim, esses minúsculos pontos quânticos são fáceis de serem produzidos, ainda que tenham apenas metade do tamanho dos pontos quânticos normais. Quando esses pontos quânticos foram iluminados com um laser, ao invés da luz azul que os estudantes esperavam, eles se encantaram com o branco vivo que iluminou a mesa onde faziam seu experimento. A seguir os estudantes dissolveram seus pontos quânticos em uma espécie de verniz para madeira e "pintaram" um LED. Embora isso seja o que se poderia chamar de uma típica uma idéia de estudante, eles estavam, na verdade, montando sua descoberta sobre uma fonte própria de luz, dispensando o laser. O resultado não é nenhum primor de acabamento, mas demonstra claramente que a junção dos dois pode gerar uma nova fonte de luz branca que poderá revolucionar todo o setor de iluminação. A descoberta foi descrita em um artigo publicado no exemplar de 18 de Outubro do Jornal da Sociedade Americana de Química.
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