Duvidas- Física Conceitual

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FÍSICA CONCEITUAL I
Dúvidas dos Capítulos 15 a 18
CALOR
José Guilherme Moreira
Capítulo 15 – Temperatura, Calor e Dilatação
Usando um modelo microscópio para os gases, determine dois fatores que justificam o
fato da pressão de um gás fechado em um recipiente rígido aumentar quando a
temperatura sobe.
Quando a temperatura sobe, aumenta a velocidade média das partículas do gás. Isso faz
com que:
- aumente a força exercida na parede em cada colisão;
- haja um maior número de colisões das partículas com as paredes.
Questão 01
Capítulo 15 – Temperatura, Calor e Dilatação
Um gás monoatômico deve ter um calor específico maior, menor ou igual que um 
diatômico?
Em um gás, a temperatura está relacionada com o movimento de translação das 
partículas do gás. 
As partículas de um gás monoatômico só têm movimento de translação, então toda 
energia que o gás recebe reflete em um aumento de temperatura. 
Em um gás diatômico, as partículas também podem rodar e vibrar, assim parte da 
energia que ele recebe não provoca aumento da velocidade média, ou seja, da 
temperatura. 
Concluindo, gás monoatômico tem um calor específico menor que um diatômico.
Questão 03
Capítulo 15 – Temperatura, Calor e Dilatação
Quim possui um anel que tem uma pequena fenda, como
mostra a figura. À temperatura ambiente, o raio externo do anel
é o dobro do interno e a fenda tem uma largura l. Quim aquece
esse anel.
A. O raio externo continua sendo o dobro do raio interno?
Sim. Como esses dois raios tem um aumento diretamente 
proporcional a seus tamanhos iniciais, a proporção entre eles é 
mantida.
Quando se aquece um material, tudo dilata igualmente, inclusive as partes vazias, então 
a fenda aumenta da mesma forma que todos os outros comprimentos.
Questão 04
B. A largura l da fenda, aumenta, diminui ou permanece a mesma?
Capítulo 15 – Temperatura, Calor e Dilatação
Quando um termômetro de mercúrio é aquecido, o nível do mercúrio momentaneamente 
abaixa, antes de se elevar. Explique porque isso ocorre.
No termômetro de mercúrio, esse material fica alojado dentro de 
um invólucro de vidro, que não é bom condutor de calor. 
Quando aquecemos o termômetro, primeiro o vidro dilata, antes de 
aquecer o mercúrio – isso faz com que o nível do mercúrio abaixe, 
antes de começar a subir.
Questão 06
Capítulos 15 – Temperatura, Calor e Dilatação
Nos países que têm inverno rigoroso, é importante proteger os canos d´água para
prevenir que a água não congele. Qual é o problema que pode ocorrer se a água
congelar?
Como o gelo é menos denso que a água, o gelo quer ocupar um volume maior do que a 
água ocupava. Além disso, com a temperatura baixa, os canos tendem a ficar mais 
estreitos. Esses dois fatores fazem com que os canos possam arrebentar se a água 
congelar dentro deles.
OBS.: Alguns grupos atribuíram o problema à dilatação anômala da água que é mais 
densa a 4oC e menos densa a 0oC, mas o aumento do volume do líquido não tende a 
arrebentar os canos porque há formas desse aumento ser absorvido, p.ex., pelo aumento 
do nível da água na caixa.
Questão 7
Capítulo 16 – Transferência de Calor
Mané consegue manter seus dedos próximos da chama de uma vela 
como mostra a figura, mas se queima quando coloca a mão em cima da 
chama. Por quê?
Quando Mané coloca seus dedos nas laterais da chama, como mostra a 
figura, ele não se queima porque a chama emite pouca radiação e o ar é 
mau condutor de calor.
Já, quando ele coloca a mão sobre a chama, ele se queima porque há 
muita transferência de calor por convecção.
Questão 02
Capítulo 16 – Transferência de Calor
Normalmente, a fumaça de uma vela sobe, mas não costuma atingir o teto da sala.
Explique!
Questão 03
A fumaça sobe porque está quente, então sua densidade é menor do que a do ar
circundante. Ao subir, ela se expande e esfria (porque realiza trabalho), assim sua
densidade fica semelhante à do ar e ela para de subir.
Capítulo 16 – Transferência de Calor
Usando um modelo microscópio para o gás, responda:
A. A velocidade média das moléculas aumenta, diminui ou permanece constante quando 
o ar é comprimido rapidamente?
Quando o ar é comprimido rapidamente, as moléculas estão indo umas em direção às 
outras. Com isso as moléculas colidem mais com outras que estão se aproximando delas 
e assim a velocidade média das moléculas aumenta.
Quando o ar se expande rapidamente, ocorre o contrário - as moléculas estão se 
afastando umas das outras e colidem mais frequentemente com outras que estão se 
afastando delas. Assim a rapidez média das moléculas diminui.
Questão 04
B. E quando o ar se expande rapidamente?
Capítulo 16 – Transferência de Calor
Nos boletins meteorológicos, além da temperatura, é normal se falar da sensação 
térmica, p. ex., se a temperatura ambiente está em 20oC e há um vento de 5 m/s, a 
sensação térmica é de 17oC. Como se avalia essa sensação térmica?
Questão 06
Detalhando melhor: Um recipiente padrão com água a uma temperatura alta também 
padrão é colocado em um ambiente a uma temperatura mais baixa e o tempo até a água 
chegar à temperatura desse ambiente é medido. 
Repete-se esse processo para muitas temperaturas ambientes. 
Depois, o mesmo processo é realizado em ambientes no qual, além de estarem a 
temperaturas mais baixas, tem um ventilador ligado provocando um vento com 
determinada velocidade. 
A sensação térmica será a temperatura sem vento que demorou o mesmo tempo para 
esfriar o recipiente que a temperatura real com a velocidade do vento.
RESPOSTA DO ALESSANDRO: “..., quando dizemos que a sensação térmica é de 
20oC, significa que estamos perdendo calor na mesma taxa que perderíamos se não 
houvesse o vento, mas se a temperatura fosse de 20oC.”
Capítulo 16 – Transferência de Calor
D. Maria enche os vasos da figura – um pintado de preto e outro de
branco – com água gelada.
A. Qual deles atinge a temperatura ambiente primeiro?
O vaso preto esquenta mais rápido porque absorve mais calor por radiação, já que reflete
pouco, e transfere esse calor para a água por condução e convecção.
B. Depois ela enche os vasos com água quente. E agora, qual deles esfria mais rápido?
Todo bom absorvedor é bom emissor senão seria muito difícil se atingir o equilíbrio 
térmico. Assim, o vaso preto emite mais radiação para o ambiente do que o vaso branco 
e esfria a água mais rapidamente. 
Questão 08
Capítulo 17 – Mudança de Fase
A cachoeira Casca d’Anta fica na nascente do São Chico e a água do rio cai de
uma altura superior a 100 m.
A. Estime o acréscimo na temperatura da água supondo que toda energia
potencial é utilizada para aquecer a água.
Considerando que toda energia potencial se transforma em energia térmica,
𝑚𝑔ℎ = 𝑚𝑐∆𝑡 → ∆𝑡 =
𝑔ℎ
𝑐
= 0,24℃.
Na queda da água ocorre muita evaporação, ou seja, as moléculas que tem mais 
velocidade saem do jato de água e as mais lentas permanecem – assim, a 
temperatura na parte de baixo é menor que na parte de cima.
Questão 1
B. Apesar disso, a temperatura da água na parte de cima é maior que na parte de baixo.
Explique!
Capítulo 17 – Mudança de Fase
De dia, o ar sobre a ilha tende a ficar mais quente porque o solo esquenta mais
rápido do que o mar já que a água tem alto calor específico.
O ar quente se eleva e, como a pressão em cima é menor, se expande e esfria.
As moléculas ficam mais lentas e, nas colisões se aglomeram.
Como nas ilhas há partículas maiores e mais lentas (poeira), o vapor d’água se
condensa sobre essas partículas, formando a nuvem.
Questão 05
Por que, no mar, nuvens tendem a se formar sobre as ilhas?
Capítulo 17 – Mudança de Fase
Fafá coloca água dentro de uma vasilhae essa vasilha dentro de uma panela
com água fervendo. Ela nota que água dentro da vasilha atinge a temperatura de
100oC, mas não ferve, por mais que a água na panela ferva. Explique! Esse
processo é conhecido pelas cozinheiras como “banho-maria”.
Quando Fafá coloca a vasilha dentro da panela com água fervendo, a água da 
vasilha recebe calor devido à diferença de temperatura com a água da panela. 
Assim, ela esquenta até atingir 100oC, quando atinge o equilíbrio térmico e para 
de receber calor – então, a água da vasilha não ferve!
Questão 05
Para gelar rapidamente uma cerveja, Seu Zé usa uma técnica aprendida com um
garçom: coloca a garrafa em uma mistura de água e gelo na qual ele adicionou
sal e, depois, álcool. Explique porque essa mistura esfria a garrafa mais rápido
do que uma simples mistura de água e gelo.
A mistura de água e gelo fica a 0oC, apesar de, normalmente, o gelo estar a uma 
temperatura bem abaixo dessa. 
Quando se adiciona sal, além de a temperatura diminuir um pouco devido à 
reação endotérmica entre sal e água, a temperatura de fusão do gelo diminui.
Adicionando álcool, este evapora e ajuda a retirar calor da mistura. 
Dessa forma, a mistura de água, sal e álcool fica a uma temperatura abaixo de 
0oC e esfria a garrafa mais rapidamente.
Questão 07
Capítulo 17 – Mudança de Fase
O que esfria uma geladeira, a condensação ou a evaporação do gás na
serpentina?
RESPOSTA DO RENATO VINÍCIUS: 
Os dois processos são responsáveis por esfriar a geladeira. 
No processo de evaporação, o calor é retirado do interior da geladeira, pois para 
o líquido se transformar em vapor, ele precisa absorver calor. 
Já na condensação, o calor que foi retirado do interior da geladeira é jogado 
para fora, pois para o gás se transformar em líquido, ele precisa perder calor.
Questão 09
Capítulo 17 – Mudança de Fase
Capítulo 18 – Termodinâmica
Antes de viajar, Seu Zé calibra os pneus de seu carro, que estão à temperatura ambiente,
com 30 lb/pol2. Estime a pressão dos pneus após uma hora de viagem.
Vamos estimar a temperatura dos pneus antes de Seu Zé começar a viagem em 300 K (~ 
27ºC) e, após uma hora de viagem, os pneus esquentaram e estão a mais ou menos 330 
K (~57ºC), ou seja, a temperatura aumentou em 10% (na escala Kelvin).
Considerando que o volume e a quantidade de ar nos pneus não variou, a pressão é 
diretamente proporcional à temperatura, então também aumentou em 10%, ou seja, 
33 lb/pol2. 
Questão 01
Capítulo 18 – Termodinâmica
Para aquecer a sala de sua casa, D. Maria pensa em comprar um aquecedor
elétrico. Seu Zé diz que é melhor instalar uma bomba de calor que é semelhante
a um ar condicionado ligado ao contrário. Qual das duas formas é mais
econômica?
O aquecedor elétrico transforma energia elétrica em energia térmica. 
Já a bomba de calor retira energia de um ambiente, realiza um trabalho e cede 
para outro ambiente a energia retirada mais o equivalente ao trabalho realizado. 
Assim, se o trabalho realizado pela bomba for igual à energia elétrica gasta pelo 
aquecedor, a bomba cede mais energia para o ambiente com o mesmo custo.
Questão 04
Capítulos 18 – Termodinâmica
Para aumentar a eficiência de uma máquina térmica, é preferível
i) aumentar a temperatura do reservatório quente, mantendo a da fonte fria, ou
ii) diminuir a temperatura da fonte fria, mantendo a do reservatório quente?
A eficiência ou rendimento de uma máquina térmica é a relação entre o trabalho 
realizado e o calor recebido da fonte quente. Para uma máquina ideal, esse rendimento é 
o maior possível e, para uma máquina operando entre as temperaturas Tquente e Tfria, sua 
expressão é 
rendimento =
𝑇quente−𝑇fria
𝑇quente
.
Embora essa expressão seja válida somente para máquinas ideais, ela sinaliza o 
comportamento qualitativo de uma máquina real.
Assim, através dessa expressão, notamos que, quando mantemos a temperatura Tquente e 
aumentamos a diferença de temperaturas 𝑇quente − 𝑇fria de um fator x, o rendimento 
aumenta desse mesmo fator. 
No entanto, se mantemos a temperatura Tfria e aumentamos a diferença de temperaturas 
do mesmo fator x, o rendimento aumenta abaixo desse fator.
Concluindo, é preferível diminuir a temperatura da fonte fria, mantendo a do 
reservatório quente.
Questão 06
Capítulo 18 – Termodinâmica
A. Mané joga dois dados simultaneamente várias vezes e anota o resultado que é a soma dos
dois dados. Qual é o número que ocorre mais vezes?
Quando você joga os dois dados, há 36 configurações possíveis. Dessas, só uma 
configuração dá como resultado o 2 (ou o 12), duas configurações dão o 3 (ou o 11), três 
dão o 4 (ou o 10), quatro dão o 5 (ou o 9), cinco dão o 6 (ou o 8) e seis configurações dão o 
7! 
A termodinâmica estuda o comportamento de sistemas macroscópicos que, no entanto, são 
constituídos de partículas microscópicas. O estado macroscópico é aquele que tem mais 
configurações microscópicas que correspondem a esse estado macroscópico. 
Por exemplo, há N partículas de gás dentro de uma caixa. Essa caixa pode ser dividida em 
pequenos cubículos de forma que caiba apenas uma partícula em cada um deles. Há 
‘quaquilhões’ de configurações possíveis. Uma delas é com todas N partículas em um canto 
da caixa que é um estado muito pouco provável de se encontrar o sistema (probabilidade de 
1/‘quaquilhões’). Já um estado em que haja uma distribuição uniforme dessas partículas 
pela caixa tem um número enorme de configurações e corresponde ao estado macroscópico 
de equilíbrio termodinâmico.
B. Qual a relação desse problema com a termodinâmica?
Questão 09