Respostas da lista de Física 2 Termodinâmica

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Respostas da lista de Física 2 – Termodinâmica.
1 - Explique por que a presença de grandes massas de água, tal como um mar ou oceano, tende a moderar as temperaturas extremas durante o dia e a noite da região adjacente.
R: A água, graças ao seu elevado calor específico, absorve muito calor sem aquecer em demasiado. Dessa forma, os oceanos absorvem grande parte das radiações solares devido ao sal que tem, que de outra forma, iriam aquecer excessivamente o solo e o ar. À noite, essas massas de água passam a ceder ao meio o excesso de calor que haviam absorvido durante o dia, o que faz com que as noites não sejam demasiadamente frias. 
2 - Um ventilador elétrico não só não esfria o ar como, de fato aquece-o ligeiramente. Como então, ele pode refrescar-nos?
R: O movimento do ar estabelece uma corrente de convecção, com o ar mais quente subindo, e o ar mais frio ocupando-lhe o lugar, refrescando o ambiente.
3 - Considere que o calor pode ser transmitido por convecção, radiação e condução, e explique por que uma garrafa térmica tem paredes duplas espelhadas e é evacuada.
R: O vácuo entre as duas camadas tem o objetivo de evitar que ocorra a condução, pois esse processo de troca de calor necessita de um meio material para acontecer; As superfícies espelhadas das camadas internas evitam que aconteça troca de calor por irradiação térmica, pois elas “refletem” as ondas de calor novamente para que a temperatura seja mantida; A tampa feita por material isolante evita que haja contato entre o ar e o líquido no interior da garrafa, assim, não ocorre a convecção. Caso houvesse contato do ar com o líquido quente ou frio de dentro da garrafa, o movimento do ar faria com que ocorresse a convecção.
4 - Quando dizemos que a lã nos aquece, o que realmente queremos dizer com isto?
R: No frio, quando estamos agasalhados, nossa temperatura corporal é maior que o meio externo. A tendência é perdemos calor para o meio ambiente. A lã ajuda a reduzir essa transferência de calor. 
5 - Os esquimós usam para proteger-se do frio intenso, abrigos construídos com gelo. Isto é possível, ou seja, aconselhável?
R: Os iglus acabam se tornando isolantes térmicos, ou seja, impedem que o calor de dentro se propague para fora.
6 - Discuta o fenômeno de congelamento da água do ponto de vista da Primeira Lei da Termodinâmica. Lembre-se que o gelo ocupa maior volume que a mesma quantidade de água. 
R: Pela primeira lei, tem-se para o processo ∆U = Q−W. O calor Q e removido da água, e, portanto, igual a − LF, o calor de fusão do gelo. O trabalho é dado por W = p(Vf − Vi), sendo p a pressão atmosférica. Vf é maior que Vi, sendo o trabalho positivo. Então, a variação da energia interna é ∆U = − LF − W, sendo, portanto, negativa.
7 - Enuncie os conceitos de calor, temperatura e energia interna.
R: O conceito de calor determina que ele é a energia térmica em trânsito. Essa acontece devido às diferenças de temperatura que existem entre os corpos e sistemas envolvidos. Temperatura é a propriedade que nos permite prever o sentido do fluxo de calor. Este fluxo, espontaneamente, é de um sistema de maior temperatura para o de menor temperatura. A variação da energia interna de um sistema pode ser expressa por meio da diferença entre o calor trocado com o meio externo e o trabalho realizado por ele durante determinada transformação.
8 - Um aparelho de refrigeração de ar deve ser instalado em um local alto ou baixo em uma sala? E um aquecedor?
R: Alto, porque o ar quente é menos denso que o ar frio. Logo, na parte de baixo ficará mais refrigerado. Por isso, o congelador das geladeiras é colocado na parte superior do eletrodoméstico e não na parte inferior. Já o aquecedor, na parte inferior porque o ar quente é menos denso q o ar frio, ira subir e o ar frio descer, sendo esquentados, e subira, nesse ciclo constante.
9 - Calcule, em joules, a quantidade mínima necessária de calor para derreter completamente 130 C. Suponha que o calor específico não dependa dag de prata que está inicialmente a 288,15 temperatura. c= 236 J/kg K ; Tfusão =1235K; Lfusão=105kJ/kg. 
R: Esta questão aborda CALORIMETRIA! Dados fornecidos na questão:
m = 130 g
 = 15 °C → 288 K 
A temperatura de fusão da prata se inicia em 1235 K, dessa
forma: ΔT = = 1235 - 288 = 947 K 
Para esta questão é de extrema importância ter os valores de
calor específico e o calor latente desta substância. Para a prata estes valores
são: 	
	→ Calor de fusão: 105 kJ/kg; 
	→ Calor específico da prata = 236 J/ kg·K
A energia necessária será a soma do calor sensível para
elevar a temperatura até 1235 K e o calor latente para fundir a prata a 1235 K.
# calor sensível para elevar a temperatura até 1235 K: 
= m.c.ΔT = 0,13.236.947 = 29053,96 J 
# calor latente para fundir a prata a 1235 K:
= m.L = 0,13.105000 = 13650 J 
Energia total necessária:
 = 42703,96 J
10 - Uma panela de cobre de 150g contém 220g de água em equilíbrio térmico a 20°C. Um cilindro de cobre
de 300g com temperatura muito elevada é posto dentro da água. Isto faz com que a água ferva convertendo 5,0g de água em vapor e a temperatura final do sistema fique igual a 100°C.
a) Qual foi a quantidade de calor transferido para a água? 
b) Qual a quantidade de calor transferido para a tigela? 
c) Qual era a temperatura original do cilindro? 
Dados: Calor específico do cobre e da água = 0,092/°C e = 1/°C, calor latente de vaporização da água = 540/.
R: a) 
1 - A água eleva a temperatura de 20 graus até 100: 
Q=m.c.Δt=220.1.(100-20)=220.80= 17600 cal
2 - Quantidade de calor necessária para vaporizar 5g de água: 
Q=m.L=5.540=2700 cal 
3 - Calor total cedido para água: 17600+2700= 20300cal 
b) 
1 - Panela aumenta sua temperatura de 20 graus para 120: 
Q=m.c.Δt=150.0,095.(120-20)= 1425cal 
c) 1 - A quantidade total de calor recebido pela panela e pela água foi de 20300+1425=21725cal 
Essa quantidade de calor é a mesma cedida pelo bloco, logo para o bloco teremos: 
Q=m.c.Δt, logo 21725=300.0,095.(t-120), logo 21725=28,5(t-120), logo t-120=762,28, logo t=882,28 graus C (temperatura inicial) 
2 - Como a temperatura final do sistema é de 120 graus C, essa será também a temperatura final do bloco. 
Obs: pode haver pequena alteração nas respostas, pois adotei o calor específico do cobre como 0,095 cal/gC mas alguns adotam como 0,093 cal/gC https://www.respondeai.com.br/workspace/topico/21/399/exercicio/4509
12 – Calcule o calor especifico de um metal a partir dos seguintes dados:
Um recipiente feito de metal tem massa 3,6kg e contém 14 kg de água. Uma peça feita deste metal inicialmente 180ºC é colocado dentro da água. O recipiente e a água tinham inicialmente a temperatura de 16ºC e final do sistema foi de 18ºC.
Considerando-se o recipiente, a água e o bloco como um sistema isolado, não há perdas de energia para os arredores. Logo, o calor cedido pelo bloco Qb somado ao calor recebido pela água Qa e ao recebido pelo recipiente Qr deve ser nulo.
13 - Um termômetro de massa 0,055 kg e calor específico 0,20 kcal/kg°C marca 15°C. O termômetro é mergulhado em 0,3 kg de água e, após atingirem o equilíbrio térmico, ele marca 44,4 °C. Calcular a temperatura inicial da água, isto é, antes da imersão do termômetro, desprezando outras perdas possíveis de calor. 
R:
14 - um aquecedor elétrico de imersão é usado para ferver 100g de água para uma xícara de café. 
o aquecedor marca 100 w. Calcular o tempo necessário para ferver esta quantidade de água , cuja temperatura inicial é de 23 graus C. Despreze as perdas de calor para o ambiente.
R: Primeiro precisamos encontrar qual a quantidade de calor que será gasto em todo esse processo, para isso vamos utilizar a seguinte fórmula:
Q = m x c x t
Sendo que:
Q = Quantidade de calor (J)
m = massa (0,1 kg)
c = calor específico da água (4200 J/kg.ºC)
t = Temperatura final (100ºC) - Temperatura inicial (23ºC)
Q = 0,1 x 4200 x (100 - 23)
Q = 420 x 77
Q = 32.340 J
O exercícionos forneceu um valor de potência igual a 200 Watts. Porém 1 Watt é igual a 1 J/S, então podemos calcular o tempo gasto nesse processo através da fórmula de potência:
P = W/t
200 = 32340/t
t = 161,70 segundos
15 - Suponha que um trabalho de 200J seja realizado sobre um sistema e que um calor de 70 cal seja extraído deste mesmo sistema. No sentido da primeira lei da termodinâmica, diga qual é o valor (incluindo o sinal) de cada uma das seguintes grandezas: (a) W; (b) Q; (c) ∆U