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UNIDADE 1
TERMOMETRIA
Temperatura É a grandeza física que mede o estado de agitação das partículas de um corpo, caracterizando o seu estado térmico.
Calor É o nome que a energia térmica recebe quando passa de um corpo de maior temperatura para um outro de menor temperatura, ou seja, energia térmica em trânsito.
Equilíbrio Térmico
Dois ou mais corpos estão em equilíbrio térmicos quando possuem a mesma temperatura.
Escalas Termométricas Escala Fahrenheit Escala Kelvin Escala Celsius
Lembre-se: Ponto de Gelo – temperatura em que a água “congela” (pressão normal) Ponto de Vapor – temperatura em que a água “evapora” (pressão normal)
Obs.: A escala Kelvin é também conhecida por escala absoluta ou escala termodinâmica, tem origem no zero absoluto e não existe temperatura inferior a esta.
Conversão entre Escalas
tc tf tk
Variação de Temperatura (ΔT)
ΔTC = ΔTK
9. ΔTC = 5. ΔTF
Exercícios de Sala
1. Em relação à termometria, é certo dizer que:
a) - 273 K representa a menor temperatura possível de ser atingida por qualquer substância.
b) a quantidade de calor de uma substância equivale à sua temperatura. c) em uma porta de madeira, a maçaneta metálica está sempre mais fria que a porta. d) a escala Kelvin é conhecida como absoluta porque só admite valores positivos. e) o estado físico de uma substância depende exclusivamente da temperatura em que ela se encontra.
2. Um termômetro é encerrado dentro de um bulbo de
vidro onde se faz vácuo. Suponha que o vácuo seja perfeito e que o termômetro esteja marcando a temperatura ambiente, 25°C. Depois de algum tempo, a temperatura ambiente se eleva a 30°C. Observa-se, então, que a marcação do termômetro: a) eleva-se também, e tende a atingir o equilíbrio térmico com o ambiente. b) mantém-se a 25°C, qualquer que seja a temperatura ambiente. c) tende a reduzir-se continuamente, independente da temperatura ambiente. d) vai se elevar, mas nunca atinge o equilíbrio térmico com o ambiente. e) tende a atingir o valor mínimo da escala do termômetro.
Tarefa Mínima
3. Os termômetros são instrumentos utilizados para
efetuarmos medidas de temperaturas. Os mais comuns se baseiam na variação de volume sofrida por um líquido considerado ideal, contido num tubo de vidro cuja dilatação é desprezada. Num termômetro em que se utiliza mercúrio, vemos que a coluna desse líquido "sobe" cerca de 2,7 cm para um aquecimento de 3,6°C. Se a escala termométrica fosse a Fahrenheit, para um aquecimento de 3,6°F, a coluna de mercúrio "subiria": a) 11,8 cm b) 3,6 cm c) 2,7 cm d) 1,8 cm e) 1,5 cm
4. O gráfico a seguir relaciona as escalas
termométricas Celsius e Fahrenheit.
Um termômetro graduado na escala Celsius indica uma temperatura de 20°C. A Correspondente indicação de um termômetro graduado na escala Fahrenheit é: a) 22°F c) 68°F e) 222°F b) 50°F d) 80°F
5. Com relação aos conceitos de calor, temperatura e
energia interna, assinale a(s) proposição(ões) correta(s).
- Associa-se a existência de calor a qualquer corpo, pois todo corpo possui calor.
- Para se admitir a existência de calor são
necessários, pelo menos, dois sistemas.
- Calor é a energia contida em um corpo.
- Quando as extremidades de uma barra metálica estão a temperaturas diferentes, a extremidade submetida à temperatura maior contém mais calor do que a outra.
- Duas esferas de mesmo material e de massas diferentes, após ficarem durante muito tempo em um forno a 160 oC , são retiradas deste e imediatamente colocadas em contato. Logo em seguida, pode-se afirmar, o calor contido na esfera de maior massa passa para a de menor massa.
- Se colocarmos um termômetro, em um dia em que a temperatura está a 25 oC , em água a uma temperatura mais elevada, a energia interna do termômetro aumentará.
6. Em um determinado dia, a temperatura mínima em
Belo Horizonte foi de 15 °C e a máxima de 27 °C. A diferença entre essas temperaturas, na escala kelvin, é de: a) 12. b) 21. c) 263. d) 285.
7. Um cientista criou uma escala termométrica D que
adota como pontos fixos o ponto de ebulição do álcool (78 °C) e o ponto de ebulição do éter (34 °C). O gráfico a seguir relaciona esta escala D com a escala Celsius.
A temperatura de ebulição da água vale, em °D: a) 44 b) 86 c) 112 d) 120 e) 160
8. Uma escala termométrica arbitrária X atribui o
valor -20°X para a temperatura de fusão do gelo e 120°X para a temperatura de ebulição da água, sob pressão normal. A temperatura em que a escala X dá a mesma indicação que a Celsius é: a) 80 b) 70 c) 50 d) 30 e) 10
9. Um menino inglês mediu sua temperatura com um
termômetro graduado na escala Fahrenheit e encontrou 96,8°F. Esse menino está: a) com temperatura de 38°C. b) com temperatura de 34,6°C. c) com febre alta, mais de 29°C. d) com temperatura menor que 36°C. e) com a temperatura normal de 36°C.
10. Analise as seguintes afirmações sobre conceitos
de termologia: I) Calor é uma forma de energia. II) Calor é o mesmo que temperatura. III) A grandeza que permite informar se dois corpos estão em equilíbrio térmico é a temperatura.
Está(ão) correta(s) apenas: a) I. b) II. c) III. d) I e II. e) I e III.
UNIDADE 2
DILATAÇÃO TÉRMICA DOS SÓLIDOS E
LÍQUIDOS
Dilatação Linear É aquela em que predomina a variação em uma única dimensão, ou seja, o comprimento. Para estudarmos a dilatação linear, consideremos uma barra de comprimento inicial Li, à temperatura inicial ti. Aumentando a temperatura da barra tf, seu comprimento passa a Lf.
Em que L = Lf - Li é a variação de comprimento, isto é, a dilatação linear da barra, na variação de temperatura t = tf - ti.
L = Li t
Dilatação Superficial
É aquela em que predomina a variação em duas dimensões, ou seja, a área. Consideremos uma placa de área inicial Ai, à temperatura inicial ti. Aumentando a temperatura da placa para tf, sua área passa para Af.
Em que: A = Af - Ai t = tf - ti
A = Ai t
O coeficiente de dilatação superficial para cada substância é igual ao dobro do coeficiente de dilatação linear, isto é:
= 2 Obs.: A escala Kelvin é também conhecida por escala absoluta ou escala termodinâmica, tem origem no zero absoluto e não existe temperatura inferior a esta.
Dilatação Volumétrica É aquela em que ocorre quando existe variação das três dimensões de um corpo: comprimento, largura e espessura. Com o aumento da temperatura, o volume da figura sofre um aumento V, tal que:
V = Vf - Vi t = tf - ti
6. Ao se aquecer de 1 °C uma haste metálica de 1 m, o
seu comprimento aumenta de 2.10-2^ mm. O aumento do comprimento de outra haste do mesmo metal, de medida inicial 80 cm, quando a aquecemos de 20 °C, é: a) 0,23 mm. b) 0,32 mm. c) 0,56 mm. d) 0,65 mm. e) 0,76 mm.
7. Uma placa de alumínio tem um grande orifício
circular no qual foi colocado um pino, também de alumínio, com grande folga. O pino e a placa são aquecidos de 500 °C, simultaneamente. Podemos afirmar que: a) a folga irá aumentar, pois o pino ao ser aquecido irá contrair-se. b) a folga diminuirá, pois ao aquecermos a chapa a área do orifício diminui. c) a folga diminuirá, pois o pino se dilata muito mais que o orifício. d) a folga irá aumentar, pois o diâmetro do orifício aumenta mais que o diâmetro do pino. e) a folga diminuirá, pois o pino se dilata, e a área do orifício não se altera.
8. O coeficiente de dilatação térmica do alumínio
(AØ) é, aproximadamente, duas vezes o coeficiente de dilatação térmica do ferro (Fe). A figura mostra duas peças onde um anel feito de um desses metais envolve um disco feito do outro. Á temperatura ambiente, os discos estão presos aos anéis.
Se as duas peças forem aquecidas uniformemente, é correto afirmar que: a) apenas o disco de AØ se soltará do anel de Fe. b) apenas o disco de Fe se soltará do anel de AØ. c) os dois discos se soltarão dos respectivos anéis. d) os discos não se soltarão dos anéis.
9. A figura a seguir ilustra um arame rígido de aço,
cujas extremidades estão distanciadas de "L".
Alterando-se sua temperatura, de 293K para 100°C, pode-se afirmar que a distância "L":
a) diminui, pois o arame aumenta de comprimento, fazendo com que suas extremidades fiquem mais próximas. b) diminui, pois o arame contrai com a diminuição da temperatura. c) aumenta, pois o arame diminui de comprimento, fazendo com que suas extremidades fiquem mais afastadas. d) não varia, pois a dilatação linear do arame é compensada pelo aumento do raio "R". e) aumenta, pois a área do círculo de raio "R" aumenta com a temperatura.
10. O volume de um bloco metálico sofre um
aumento de 0,6% quando sua temperatura varia de 200 °C. O coeficiente de dilatação linear médio desse metal, em °C-1, vale: a) 1,0.10- b) 3,0.10- c) 1,0.10- d) 3,0.10- e) 3,0.10-
11. Assinale a(s) proposição(ões) correta(s) em
relação a alguns fenômenos que envolvem os conceitos de temperatura, calor, mudança de estado e dilatação térmica.
- A temperatura de um corpo é uma grandeza física relacionada à densidade do corpo.
- Uma substância pura ao receber calor ficará submetida a variações de temperatura durante a fusão e a ebulição.
- A dilatação térmica é um fenômeno específico dos líquidos, não ocorrendo com os sólidos.
- Calor é uma forma de energia.
- O calor se propaga no vácuo.
12. Em uma chapa metálica é feito um orifício
circular do mesmo tamanho de uma moeda. O conjunto (chapa com a moeda no orifício), inicialmente a 25 °C, é levado a um forno e aquecido até 225 °C. Após o aquecimento, verifica-se que o orifício na chapa ficou maior do que a moeda. Dentre as afirmativas a seguir, indique a que está correta. a) O coeficiente de dilatação da moeda é maior do que o da chapa metálica. b) O coeficiente de dilatação da moeda é menor do que o da chapa metálica. c) O coeficiente de dilatação da moeda é igual ao da chapa metálica, mas o orifício se dilatou mais porque a chapa é maior que a moeda. d) O coeficiente de dilatação da moeda é igual ao da chapa metálica, mas o orifício se dilatou mais porque o seu interior é vazio. e) Nada se pode afirmar sobre os coeficientes de dilatação da moeda e da chapa, pois não é dado o tamanho inicial da chapa.
13. A respeito da dilatação térmica, fenômeno de
expansão e contração que ocorre nas substâncias quando há variação de sua temperatura, assinale o que for correto.
- A variação do volume de uma substância é proporcional ao produto entre seu volume inicial e a variação de temperatura.
- O coeficiente de dilatação é uma grandeza adimensional.
- Em corpos que têm apenas uma dimensão, ocorre dilatação linear.
- Se uma placa que contém um orifício sofrer um aumento em sua temperatura, as dimensões do orifício aumentarão.
14. Duas substâncias A e B têm seus gráficos de
densidade × temperatura representados a seguir. As substâncias são colocadas a 4°C em garrafas de vidro distintas, ocupando todo o volume das garrafas. Considere o coeficiente de dilatação do vidro das garrafas muito menor que o das substâncias A e B. As garrafas são, então, fechadas e colocadas em um refrigerador a 0°C. Após um longo período de tempo, pode-se dizer que:
a) a garrafa de A se quebra e a de B não. b) a garrafa de B se quebra e a de A não. c) as garrafas de A e B se quebram. d) as garrafas de A e B não se quebram. e) os dados fornecidos não são suficientes para se chegar a uma conclusão.
UNIDADE 3
CALORIMETRIA
UNIDADES DE CALOR
O calor é uma forma de energia que passa de um corpo para outro como consequência da diferença de temperaturas entre os corpos. Sendo energia, sua unidade no Sistema Internacional é o joule (J). No entanto, por razões históricas, ainda hoje usamos uma unidade introduzida na época em que não se sabia a natureza do calor. Essa unidade é a caloria cujo símbolo é cal. A relação entre a caloria e o joule é:
1 cal = 4,186 joules
CAPACIDADE TÉRMICA
Suponhamos que uma quantidade de calor Q seja fornecida a um corpo. Supondo que não haja mudança de estado, esse calor provocará no corpo, uma variação de temperatura Δt que é proporcional a Q, isto é, podemos escrever
Q = C (Δt) onde C é uma constante chamada de capacidade térmica do corpo.
C =
Q
__________
Δt CALOR ESPECÍFICO Quando um corpo é feito de uma única substância, sua capacidade térmica (C) é proporcional à sua massa (m), isto é, podemos escrever: C = m. c (II)
onde c é uma constante que depende da substância e é chamada de calor específico da substância.
CALOR SENSÍVEL O calor sensível é responsável pela variação da temperatura de um corpo. Q = m. c (Δt) (III)
Dessa equação tiramos:
c =
Q
m. Δt
A seguir fornecemos os calores específicos de algumas substâncias:
TABELA - Calores específicos de algumas substâncias
SUBSTÂNCIA
CALOR
ESPECÍFICO (c) (cal/g.°C)
SÓLIDOS
Alumínio 0,21 5
Cobre 0,
Ouro 0,
Aço 0,
Prata 0,
Gelo 0,
LÍQUIDOS Água 1,
Álcool etílico 0,
Mercúrio 0,
TROCAS DE CALOR
Nós dizemos que um conjunto de corpos está termicamente isolado quando ele não ganha nem perde calor para o meio externo. Um modo de fazer isso é colocar o conjunto em um recipiente de paredes isolantes, isto é, que não deixam passar o calor. Um recipiente como esse é chamado de calorímetro.
5. Uma fonte térmica, de potência constante e igual a
20 cal/s, fornece calor a um corpo sólido de massa 100 g. A variação de temperatura š do corpo em função do tempo t é dada pelo gráfico a seguir.
O calor específico da substância que constitui o corpo, no estado líquido, em cal/g°C, vale a) 0,05 b) 0,10 c) 0,20 d) 0,30 e) 0,
6. Quando dois corpos de tamanhos diferentes estão
em contato e em equilíbrio térmico, e ambos isolados do meio ambiente, pode-se dizer que: a) o corpo maior é o mais quente. b) o corpo menor é o mais quente. c) não há troca de calor entre os corpos. d) o corpo maior cede calor para o corpo menor. e) o corpo menor cede calor para o corpo maior.
7. Um certo volume de um líquido A, de massa M e
que está inicialmente a 20 °C, é despejado no interior de uma garrafa térmica que contém uma massa 2M de um outro líquido, B, na temperatura de 80 °C. Se a temperatura final da mistura líquida resultante for de 40 °C, podemos afirmar que a razão CA/CB entre os calores específicos das substâncias A e B vale: a) 6 b) 4 c) 3 d) ½ e) 1/
8. O gráfico a seguir representa o calor absorvido por
dois corpos sólidos M e N em função da temperatura.
A capacidade térmica do corpo M, em relação à do corpo N, vale a) 1, b) 5, c) 5, d) 6, e) 7,
9. A figura a seguir representa a temperatura de um
líquido não-volátil em função da quantidade de calor por ele absorvida. Sendo a massa do líquido 100 g e seu calor específico 0,6 cal/g°C, qual o valor em °C da temperatura T³?
10. Analise as seguintes afirmações sobre conceitos
de termologia: I) Calor é uma forma de energia. II) Calor é o mesmo que temperatura. III) A grandeza que permite informar se dois corpos estão em equilíbrio térmico é a temperatura. Está(ão) correta(s) apenas: a) I. b) II. c) III. d) I e II. e) I e III.
11. O gráfico a seguir representa a quantidade de calor
absorvida por dois objetos A e B ao serem aquecidos, em função de suas temperaturas.
Observe o gráfico e assinale a(s) proposição(ões) correta(s).
- A capacidade térmica do objeto A é maior que a do objeto B.
- A partir do gráfico é possível determinar as capacidades térmicas dos objetos A e B.
- Pode-se afirmar que o calor específico do objeto A é maior que o do objeto B.
- A variação de temperatura do objeto B, por caloria absorvida, é maior que a variação de temperatura do objeto A, por caloria absorvida.
- Se a massa do objeto A for de 200 g, seu calor específico será 0,2 cal/g°C.
12. Assinale a(s) proposição(ões) correta(s) em
relação a alguns fenômenos que envolvem os conceitos de temperatura, calor, mudança de estado e dilatação térmica.
- A temperatura de um corpo é uma grandeza física relacionada à densidade do corpo.
- Uma substância pura ao receber calor ficará submetida a variações de temperatura durante a fusão e a ebulição.
- A dilatação térmica é um fenômeno específico dos líquidos, não ocorrendo com os sólidos.
- Calor é uma forma de energia.
- O calor se propaga no vácuo.
13. Determine a quantidade de calor necessária para
transformar 100 g de 8gelo, inicialmente a 0 °C, em 100 g de água a 30 °C. Sabe-se que o calor latente de fusão do gelo é 80 cal/g e o calor específico da água é 1 cal/g°C. a) 6000 cal. b) 3000 cal. c) 11000 cal. d) 8000 cal. e) 10000 cal.
14. Um aquecedor elétrico é mergulhado em um
recipiente com água a 10 °C e, cinco minutos depois, a água começa a ferver a 100 °C. Se o aquecedor não for desligado, toda a água irá evaporar e o aquecedor será danificado. Considerando o momento em que a água
começa a ferver, a evaporação de toda a água ocorrerá em um intervalo de aproximadamente Calor específico da água = 1,0 cal/(g°C) Calor de vaporização da água = 540 cal/g Desconsidere perdas de calor para o recipiente, para o ambiente e para o próprio aquecedor. a) 5 minutos. b) 10 minutos. c) 12 minutos. d) 15 minutos. e) 30 minutos.
UNIDADE 4
TRANSMISSÃO DE CALOR
CONDUÇÃO DE CALOR
A condução é um processo pelo qual o calor se transmite ao longo de um meio material por meio da transmissão de vibração de suas moléculas. As moléculas mais energéticas (de maior temperatura) transmitem energia para as menos energéticas (menor temperatura). Existem materiais que conduzem o calor rapidamente por exemplo, os metais. Tais materiais são chamados de bons condutores. Podemos perceber isso fazendo um experimento como o ilustrado na Fig..
Segurando uma barra de metal que tem uma extremidade sobre uma chama, rapidamente o calor é transmitido para nossa mão. Por outro lado há materiais nos quais o calor se propaga muito lentamente. Tais materiais são chamados de isolantes. Como exemplos, podemos citar a borracha, a lã, o isopor e o amianto. O fato de a lã ser um bom isolante explica por que no inverno usamos agasalhos de lã; ela dificulta a perda do calor de nosso corpo para o meio externo.
FLUXO DE CALOR
Suponhamos que em um intervalo de tempo passe uma quantidade de calor Q por uma superfície S (Fig.2).
Fig. 2
O fluxo de calor através da superfície S é definido por:
A experiência mostra que o fluxo de calor através da barra é dado por:
onde k é uma constante cujo valor depende do material e é chamada condutividade térmica do material.
CONVECÇÃO A convecção de calor é a transmissão de calor por meio do transporte de matéria. Ela ocorre no interior de fluidos (líquidos e gases) como consequência da diferença de densidades entre diferentes partes do fluido. Por exemplo, consideremos o caso ilustrado na Fig. 1 em que um recipiente contendo água é colocado sobre uma chama. Pelo aquecimento, a parte inferior da água se dilata e fica com densidade menor do que a parte superior. Com isso, ocorre uma corrente ascendente e outra descendente. Essas correntes são chamadas correntes de convecção.
Fig. 1 IRRADIAÇÃO No estudo da eletricidade apresentaremos o conceito de onda eletromagnética. Por enquanto vamos adiantar que todos os corpos emitem ondas eletromagnéticas cuja intensidade aumenta com a temperatura. Essas ondas se propagam no vácuo e é dessa maneira que a luz e o calor são transmitidos do Sol até a Terra.
Fig. Entre as ondas eletromagnéticas, a principal responsável pela transmissão do calor é a onda de infravermelho. Quando chegamos perto de uma fogueira, uma lâmpada incandescente ou um aquecedor elétrico, sentimos o calor emitido por eles. Uma parcela desse calor pode atingir-nos por condução através do ar, porém essa parcela é pequena, pois o ar é mau condutor de calor. A maior parte do calor que
d) Somente as afirmativas 1 e 3 são verdadeiras. e) Somente as afirmativas 2 e 3 são verdadeiras.
8. Um resistor R é colocado dentro de um recipiente
de parede metálica, no qual é feito vácuo e que possui um termômetro incrustado em sua parede externa. Para ligar o resistor a uma fonte externa ao recipiente foi utilizado um fio, com isolamento térmico que impede transferência de calor para as paredes do recipiente. Essa situação encontra-se ilustrada na figura a seguir.
Ligando o resistor, nota-se que a temperatura indicada pelo termômetro aumenta, mostrando que há transferência de calor entre o resistor e o termômetro. Pode-se afirmar que os processos responsáveis por essa transferência de calor, na ordem correta , são a) primeiro convecção e depois radiação. b) primeiro convecção e depois condução. c) primeiro radiação e depois convecção. d) primeiro radiação e depois condução. e) primeiro condução e depois convecção.
UNIDADE 5
GASES PERFEITOS
Variáveis do estado de um gás Pressão resultado dos choques consecutivos das moléculas nas paredes do recipiente. Volume É dado pelo volume do recipiente onde o gás está contido. Temperatura Mede a agitação das moléculas do gás.
OBS.: No estudo dos gases deve-se usar a temperatura absoluta (em Kelvin).
Equação de Clapeyron: p.^ VnRT
Onde : n = m/M
molK
Cal molK
T molK
atml R .
2 .
8 , 31 .
. 0 , 082
N1 = N
Lei geral dos gases perfeitos 2
2 2 1
1 1 T
P.V T
P V
N1≠ N
Lei geral dos gases perfeitos
2 2 1
1 1
T n
PV
Tn
P V
Transformações Gasosas
Isotérmica (Boyle – Mariotte) Características: Temperatura permanece constante. P e V são inversamente proporcionais
Isobárica (Charles) Características: Pressão permanece constante. V e T são diretamente proporcionais.
Isométrica, Isovolumétrica ou Isocórica (Gay Lussac) Características: Volume, permanece constante. P e T são diretamente proporcionais
Adiabática Característica: Não ocorre troca de calor entre o sistema e o meio.
Exercícios de Sala
1. Antes de iniciar uma viagem, um motorista
cuidadoso calibra os pneus de seu carro, que estão à temperatura ambiente de 27 °C, com uma pressão de 30 lb/pol^2. Ao final da viagem, para determinar a temperatura dos pneus, o motorista mede a pressão dos mesmos e descobre que esta aumentou para 32 lb/pol^2. Se o volume dos pneus permanece inalterado e se o gás no interior é ideal, o motorista determinou a temperatura dos pneus como sendo: a) 17 °C b) 27 °C c) 37 °C d) 47 °C e) 57 °C
Tarefa Mínima
2. Quando o balão do capitão Stevens começou sua
ascensão, tinha, no solo, à pressão de 1 atm, 75000 m^3 de hélio. A 22 km de altura, o volume do hélio era de 1500000 m^3. Se pudéssemos desprezar a variação de temperatura, a pressão (em atm) a esta altura valeria: a) 1/20 b) 1/5 c) 1/2 d) 1 e) 20
3. Uma amostra de gás perfeito foi submetida às
transformações indicadas no diagrama PV a seguir. Nessa sequência de transformações, os estados de maior e de menor temperatura foram, respectivamente:
a) 1 e 2 b) 1 e 3 c) 2 e 3 d) 3 e 4 e) 3 e 5
4. Um gás perfeito está sob pressão de 20 atm, na
temperatura de 200 K e apresenta um volume de 40 litros. Se o referido gás tiver sua pressão alterada para 40 atm, na mesma temperatura, qual será o novo volume?
5. A respeito do funcionamento da panela de pressão,
assinale o que for correto.
- De acordo com a lei dos gases, as variáveis envolvidas nos processos são: pressão, volume e temperatura.
- O aumento da pressão no interior da panela afeta o ponto de ebulição da água.
- A quantidade de calor doado ao sistema deve ser constante, para evitar que a panela venha a explodir.
- O tempo de cozimento dos alimentos dentro de uma panela de pressão é menor porque eles ficam submetidos a temperaturas superiores a 100 °C.
6. Para se realizar uma determinada experiência, -
coloca-se um pouco de água em uma lata, com uma abertura na parte superior, destampada, a qual é, em seguida, aquecida, como mostrado na Figura I;
- depois que a água ferve e o interior da lata fica totalmente preenchido com vapor, esta é tampada e retirada do fogo;
- logo depois, despeja-se água fria sobre a lata e observa-se que ela se contrai bruscamente, como mostrado na Figura II.
Com base nessas informações, é correto afirmar que, na situação descrita, a contração ocorre porque a) a água fria provoca uma contração do metal das paredes da lata. b) a lata fica mais frágil ao ser aquecida. c) a pressão atmosférica esmaga a lata. d) o vapor frio, no interior da lata, puxa suas paredes para dentro.
7. Regina estaciona seu carro, movido a gás natural,
ao Sol. Considere que o gás no reservatório do carro se comporta como um gás ideal. Assinale a alternativa cujo gráfico melhor representa a pressão em função da temperatura do gás na situação descrita.
8. Um "freezer" é programado para manter a
temperatura em seu interior a -19°C. Ao ser instalado, suponha que a temperatura ambiente seja de 27°C. Considerando que o sistema de fechamento da porta a mantém hermeticamente fechada, qual será a pressão no interior do "freezer" quando ele tiver atingido a temperatura para a qual foi programado?
a) 0,72 atm b) 0,78 atm c) 0,85 atm d) 0,89 atm e) 0,94 atm
9. Um gás ideal sofre uma compressão adiabática
durante a qual sua temperatura absoluta passa de T para 4T. Sendo P a pressão inicial, podemos afirmar que a pressão final será a) menor do que P. b) igual a P. c) igual a 2 P. d) igual a 4 P. e) maior do que 4 P.
10. Uma massa de gás perfeito a 17°C, que sofre uma
transformação isotérmica, tem seu volume aumentado de 25%. A pressão final do gás, em relação à inicial será: a) 20% maior. b) 20% menor. c) 25% menor. d) 80% menor. e) 80% maior.
11. Um extintor de incêndio cilíndrico, contendo CO 2
possui um medidor de pressão interna que, inicialmente, indica 200 atm. Com o tempo, parte do gás escapa, o extintor perde pressão e precisa ser recarregado. Quando a pressão interna for igual a 160 atm, a porcentagem da massa inicial de gás que terá escapado corresponderá a: a) 10% b) 20% c) 40% d) 60% e) 75% Obs: Considere que a temperatura permanece constante e o CO 2 nessas condições, comporta-se como um gás perfeito 1 atm = 10^5 N/m^2
12. Um recipiente rígido contém gás perfeito sob
pressão de 3 atm. Sem deixar variar a temperatura, são retirados 4 mols do gás, fazendo com que a pressão se reduza a 1 atm. O número de mols existente inicialmente no recipiente era: a) 6 b) 8 c) 10 d) 12 e) 16
13. A quantidade de 2,0mols de um gás perfeito se
expande isotermicamente. Sabendo que no estado inicial o volume era de 8,20L e a pressão de 6,0atm e que no estado final o volume passou a 24,6L, determine: a) a pressão final do gás; b) a temperatura, em °C, em que ocorreu a expansão. Dado: Constante universal dos gases perfeitos: 0,082atm.L/mol.K
14. Num recipiente indeformável, provido de válvula
especial, encontram-se confinados 2 mols de oxigênio (molécula - grama = 32 g) nas C. N. T. P.. Num dado instante, abre-se a válvula e permite-se que 8 g do gás escapem, mantendo-se, contudo a mesma temperatura. A nova pressão do gás é:
Tarefa Mínima
2. O biodiesel resulta da reação química desencadeada
por uma mistura de óleo vegetal com álcool de cana. A utilização do biodiesel etílico como combustível no país permitiria uma redução sensível nas emissões de gases poluentes no ar, bem como uma ampliação da matriz energética brasileira. O combustível testado foi desenvolvido a partir da transformação química do óleo de soja. É também chamado de B-30 porque é constituído de uma proporção de 30% de biodiesel e 70% de diesel metropolitano. O primeiro diagnóstico divulgado considerou performances dos veículos quanto ao desempenho, durabilidade e consumo.
Um carro-teste consome 4,0 kg de biodiesel para realizar trabalho mecânico. Se a queima de 1 g de biodiesel libera 5,0 × 10^3 cal e o rendimento do motor é de 15%, o trabalho mecânico realizado, em joules, vale, aproximadamente, Dado: 1 cal = 4,2 joules a) 7,2 × 10^5 b) 1,0 × 10^6 c) 3,0 × 10^6 d) 9,0 × 10^6 e) 1,3 × 10^7
3. Um mol de um gás ideal é aquecido, a pressão
constante, passando da temperatura Ti = 300 K para a temperatura Tf = 350 K. O trabalho realizado pelo gás durante esse processo é aproximadamente (o valor da constante universal dos gases é R ≈ 8,31 J/(mol.K)) igual a: a) 104 J. c) 312 J. e) 520 J. b) 208 J. d) 416 J.
4. A figura a seguir representa o gráfico pressão
versus volume da expansão isotérmica de um gás perfeito. É correto afirmar que:
a) a curva apresentada é uma isobárica b) a área sombreada do gráfico representa numericamente o trabalho realizado pelo gás ao se expandir c) a área sombreada é numericamente igual ao trabalho realizado sobre o gás para sua expansão d) a curva do gráfico é uma isocórica
4. Um sistema termodinâmico realiza o ciclo ABCA
representado a seguir:
O trabalho realizado pelo sistema no ciclo vale, em joules: a) 2,5 × 10^5 b) 4,0 × 10^5 c) 3,0 × 10^5 d) 5,0 × 10^5 e) 2,0 × 10^5
5. A primeira lei da termodinâmica diz respeito à:
a) dilatação térmica b) conservação da massa c) conservação da quantidade de movimento d) conservação da energia e) irreversibilidade do tempo
6. Considere as proposições a seguir sobre
transformações gasosas. I. Numa expansão isotérmica de um gás perfeito, sua pressão aumenta. II. Numa compressão isobárica de um gás perfeito, sua temperatura absoluta aumenta. III. Numa expansão adiabática de um gás perfeito, sua temperatura absoluta diminui. Pode-se afirmar que apenas: a) I é correta. b) II é correta. c) III é correta. d) I e II são corretas. e) II e III são corretas.
7. Com relação às transformações sofridas por um gás
perfeito, assinale a alternativa incorreta. a) Na transformação adiabática, a variação de energia cinética das moléculas é nula b) Na transformação isobárica, não há variação da pressão do gás. c) Na transformação isotérmica, a energia cinética média das moléculas não se altera. d) Na transformação adiabática, não há troca de calor com o meio exterior. e) Na transformação isotérmica, há troca de calor com o meio exterior.
8. Considere uma certa massa de um gás ideal em
equilíbrio termodinâmico. Numa primeira experiência, faz-se o gás sofrer uma expansão isotérmica durante a qual realiza um trabalho W e recebe 150J de calor do meio externo. Numa segunda experiência, faz-se o gás sofrer uma expansão adiabática, a partir das mesmas condições iniciais, durante a qual ele realiza o mesmo trabalho W. Calcule a variação de energia interna ∆U do gás nessa expansão adiabática.
9. Quando um gás ideal sofre uma expansão
isotérmica, a) a energia recebida pelo gás na forma de calor é igual ao trabalho realizado pelo gás na expansão. b) não troca energia na forma de calor com o meio exterior. c) não troca energia na forma de trabalho com o meio exterior. d) a energia recebida pelo gás na forma de calor é igual à variação da energia interna do gás. e) o trabalho realizado pelo gás é igual à variação da energia interna do gás.
10. Um gás ideal sofre uma transformação: absorve
50cal de energia na forma de calor e expande-se realizando um trabalho de 300J. Considerando 1cal=4,2J, a variação da energia interna do gás é, em J, de a) 250 b) -250 c) 510 d) -90 e) 90
11. A respeito de conceitos relacionados à Termodinâmica, assinale a(s) alternativa(s) correta(s).
- A energia interna de um gás ideal pode ser medida diretamente.
- Em algumas situações, calor é adicionado a uma substância e não ocorre nenhuma variação de temperatura. Tais situações não estão de acordo com a definição usual de calor como sendo uma forma de energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura.
- É impossível a ocorrência de processos nos quais não se transfira e nem se retire calor de um sistema e nos quais a temperatura do sistema sofra variação.
- Durante uma transformação isotérmica de um gás ideal, existe equivalência entre o calor e o trabalho trocados entre o sistema e o exterior.
- A capacidade calorífica de um corpo representa a quantidade de calor que o corpo pode estocar a uma certa temperatura.
- Durante uma transformação cíclica de um gás ideal, existe equivalência entre o calor e o trabalho trocados entre o sistema e o exterior.
- Na passagem de um sistema de um estado inicial 1 para um estado final 2, a variação da energia interna entre os dois estados depende do processo que provocou tal passagem.
12. Os estudos científicos desenvolvidos pelo
engenheiro francês Nicolas Sadi Carnot (1796-1832) na tentativa de melhorar o rendimento de máquinas térmicas serviram de base para a formulação da segunda lei da termodinâmica. Acerca do tema, considere as seguintes afirmativas:
- O rendimento de uma máquina térmica é a razão entre o trabalho realizado pela máquina num ciclo e o calor retirado do reservatório quente nesse ciclo.
- Os refrigeradores são máquinas térmicas que transferem calor de um sistema de menor temperatura para outro a uma temperatura mais elevada.
- É possível construir uma máquina, que opera em
ciclos, cujo único efeito seja retirar calor de uma fonte e transformá-lo integralmente em trabalho.
Assinale a alternativa correta. a) Somente as afirmativas 1 e 3 são verdadeiras. b) Somente a afirmativa 1 é verdadeira. c) Somente a afirmativa 2 é verdadeira. d) Somente as afirmativas 1 e 2 são verdadeiras. e) Somente as afirmativas 2 e 3 são verdadeiras.
13. A cada ciclo, uma máquina térmica extrai 45 kJ de
calor da sua fonte quente e descarrega 36 kJ de calor na sua fonte fria. O rendimento máximo que essa máquina pode ter é de a) 20%. b) 25%. c) 75%. d) 80%. e) 100%.
14. O uso de combustíveis não renováveis, como o
petróleo, tem sérias implicações ambientais e econômicas. Uma alternativa energética em estudo para o litoral brasileiro é o uso da diferença de temperatura da água na superfície do mar (fonte quente) e de águas mais profundas (fonte fria) em uma máquina térmica para realizar trabalho. (Desconsidere a salinidade da água do mar para a análise das respostas).
Assinale a(s) proposição(ões) correta(s).
- Supondo que a máquina térmica proposta opere em um ciclo de Carnot, teremos um rendimento de 100%, pois o ciclo de Carnot corresponde a uma máquina térmica ideal.
- Uma máquina com rendimento igual a 20% de uma máquina ideal, operando entre 7 °C e 37 °C, terá um rendimento menor que 10%.
- Na situação apresentada, a temperatura mais baixa da água é de aproximadamente 4 °C pois, ao contrário da maioria dos líquidos, nesta temperatura a densidade da água é máxima.
- É impossível obter rendimento de 100% mesmo em uma máquina térmica ideal, pois o calor não pode ser transferido espontaneamente da fonte fria para a fonte quente.
- Não é possível obtermos 100% de rendimento, mesmo em uma máquina térmica ideal, pois isto viola o princípio da conservação da energia.
UNIDADE 7
ÓPTICA GEOMÉTRICA, ESPELHOS
PLANOS E ESFÉRICOS
Estuda os fenômenos luminosos Luz : Agente físico capaz de sensibilizar nossos órgãos visuais (retina). Esta propaga-se através de ondas
4 - Objeto e imagem são reversos (enantiomorfos)
COMPOSIÇÃO DOS ESPELHOS PLANOS
Dois espelhos podem formar várias imagens e o número de imagens depende do ângulo formado pelos espelhos.
1
N
Campo visual de um espelho plano
C.V. - Campo Visual
Espelhos Esféricos
Elementos de um espelho esférico.
Equações dos Espelhos Esféricos
R = Raio de curvatura f = Distância focal R = 2f p = Distância do objeto ao espelho p' = Distância da imagem ao espelho
Equação dos Pontos Conjugados (Eq. Gauss)
`
f p p
f p
f
p
p
o
i
A
`
Regra de sinais. P(+) → Imagem real P(-) → Imagem virtual f(+) → Espelho côncavo ou lente convergente f(-) → Espelho convexo ou lente divergente A(+) → Imagem virtual A(-) → Imagem real A > 1 → Imagem maior que o objeto A < 1 → Imagem menor que o objeto A = 1 → Imagem do mesmo tamanho do objeto Consideração: Se a imagem é projetada, ela será REAL. Sendo real ela será INVERTIDA.
Elementos de um Espelho Esférico
Foco - C/ (alfa)= ângulo de abertura C = Raio de curvatura (R) V - Vertice EP- Eixo Principal
Raios Incidentes Notáveis
- Todo raio de luz que incide paralelamente ao EP, reflete na direção do foco.
- Todo raio de luz que incide na direção do foco, reflete paralelamente ao EP.
- Todo raio de luz que incide na direção do C, reflete na mesma direção.
- Todo raio de luz que incide no vértice do espelho, reflete simetricamente em relação ao EP. Condição de Nitidez de Gauss Imagens nítidas para alfa < 10º Foco: Ponto de encontro dos raios refletidos (ou de seus prolongamentos) paralelamente ao eixo principal.
Côncavo
Convexo
Exercícios de Sala
1. A figura adiante mostra uma vista superior de dois
espelhos planos montados verticalmente, um perpendicular ao outro. Sobre o espelho OA incide um raio de luz horizontal, no plano do papel, mostrado na figura. Após reflexão nos dois espelhos, o raio emerge formando um ângulo θ com a normal ao espelho OB. O ângulo θ vale:
a) 0° b) 10° c) 20° d) 30° e) 40°
Tarefa Mínima
2. Aproveitando materiais recicláveis, como latas de
alumínio de refrigerantes e caixas de papelão de sapatos, pode-se construir uma máquina fotográfica utilizando uma técnica chamada "pin hole" (furo de agulha), que, no lugar de lentes, usa um único furo de agulha para captar a imagem num filme fotográfico. As máquinas fotográficas "pin hole" registram um mundo em imagens com um olhar diferente. Um poste com 4 m de altura é fotografado numa máquina "pin hole". No filme, a altura da imagem do poste, em centímetros, é:
a) 12 b) 10 c) 8 d) 6 e) 4
3. A velocidade da luz, no vácuo, vale
aproximadamente 3,0.10^8 m/s. Para percorrer a distância entre a Lua e a Terra, que é de 3,9.10^5 km, a luz leva: a) 11,7 s b) 8,2 s c) 4,5 s d) 1,3 s e) 0,77 s
4. Na figura a seguir, F é uma fonte de luz extensa e A
um anteparo opaco.
Pode-se afirmar que I, II e III são, respectivamente, regiões de: a) sombra, sombra e penumbra. b) sombra, sombra e sombra. c) penumbra, sombra e penumbra. d) sombra, penumbra e sombra. e) penumbra, penumbra e sombra.
5. No vácuo, todas as ondas eletromagnéticas.
a) têm a mesma frequência. b) têm a mesma intensidade. c) se propagam com a mesma velocidade. d) se propagam com velocidades menores que a da luz. e) são polarizadas.
6. Considere as seguintes afirmativas:
I- A água pura é um meio translúcido. II- O vidro fosco é um meio opaco. III- O ar é um meio transparente. Sobre as afirmativas acima, assinale a alternativa correta. a) Apenas a afirmativa I é verdadeira. b) Apenas a afirmativa II é verdadeira. c) Apenas a afirmativa III é verdadeira. d) Apenas as afirmativas I e a III são verdadeiras. e) Apenas as afirmativas II e a III são verdadeiras.
7. Ana Maria, modelo profissional, costuma fazer
ensaios fotográficos e participar de desfiles de moda. Em trabalho recente, ela usou um vestido que apresentava cor vermelha quando iluminado pela luz do sol. Ana Maria irá desfilar novamente usando o mesmo vestido. Sabendo-se que a passarela onde Ana Maria vai desfilar será iluminada agora com luz monocromática verde, podemos afirmar que o público perceberá seu vestido como sendo a) verde, pois é a cor que incidiu sobre o vestido. b) preto, porque o vestido só reflete a cor vermelha. c) de cor entre vermelha e verde devido à mistura das cores. d) vermelho, pois a cor do vestido independe da radiação incidente.
a) 80° b) 70° c) 60° d) 50° e) 40°
20. Quando colocamos um pequeno objeto real entre
o foco principal e o centro de curvatura de um espelho esférico côncavo de Gauss, sua respectiva imagem conjugada será: a) real, invertida e maior que o objeto. b) real, invertida e menor que o objeto. c) real, direita e maior que o objeto. d) virtual, invertida e maior que o objeto. e) virtual, direita e menor que o objeto.
21. Um objeto colocado a 15 cm de um espelho
côncavo forma uma imagem no infinito. Se for colocada uma lente de distância focal 15 cm, distante 30 cm do espelho, aquela imagem formada no infinito agora estará: a) ainda no infinito. b) reduzida e a 15 cm do espelho. c) reduzida e a 30 cm do espelho. d) ampliada e a 45 cm do espelho. e) concentrada em um ponto distante 45 cm do espelho.
22. Se um espelho forma uma imagem real e
ampliada de um objeto, então o espelho é: a) convexo e o objeto está além do foco. b) convexo e o objeto está entre o foco e o espelho. c) côncavo e o objeto está entre o foco e o centro do espelho. d) côncavo e o objeto está além do foco. e) côncavo ou convexo e com o objeto entre o foco e o centro do espelho.
23. Um objeto real, representado pela seta, é colocado
em frente a um espelho podendo ser plano ou esférico conforme as figuras. A imagem fornecida pelo espelho será virtual:
a) apenas no caso I. b) apenas no caso II. c) apenas nos casos I e II. d) nos casos I e IV e V. e) nos casos I, II e III.
24. Considere o esquema ótico a seguir, onde V é o vértice do espelho côncavo, C seu centro de curvatura e) F seu foco principal.
Associe as colunas a seguir: POSIÇÃO DO OBJETO ( ) à esquerda de C ( ) sobre C ( ) entre C e F ( ) sobre F ( ) entre F e V
CARACTERÍSTICAS DA
IMAGEM
- real, maior e invertida
- imagem imprópria
- real, menor e invertida
- real, igual e invertida
- virtual, maior e direita
A sequência correta , de cima para baixo, será: a) 3, 4, 1, 5, 3. b) 1, 3, 4, 5, 2. c) 5, 4, 2, 1, 3. d) 1, 5, 4, 3, 2. e) 3, 4, 1, 2, 5.
UNIDADE 8
REFRAÇÃO DA LUZ
Refração da Luz Variação da velocidade de propagação da luz quando ocorre mudança de meio. Esta variação quase sempre vem acompanhada de desvio do raio luminoso.
Índice de Refração Absoluto de um meio (N):
v
c
n
N meio , c = Velocidade da luz no vácuo , V = Velocidade da luz no meio;
- Vácuo: c : N(vácuo) = 1
- Ar: V(ar) : N(ar) = (aproximadamente) 1;
- Água: V(água) : N(água) > 1;
- Vidro: V(vidro) : N(vidro) > 1 ;
- Conclusão: N ≥ 1 Obs.: N mede a dificuldade que a luz encontra em viajar pelo meio.
Índice de Refração Relativo: NA,B = NA / NB = VB / VA
Leis da Refração: o 1º - Raio Incidente (RI) , Reta Normal (N) e Raio Refratado (RR) são coplanares; o 2º - Snell Descartes:
nA. sen A nB. sen B
Refração Atmosférica
- A luz, ao entrar na atmosfera terrestre, sofre pequenas variações ao passar dentre as diversas camadas de ar.
- Pela refringência ser diretamente proporcional a densidade, a luz desvia do menos refringente para o mais refringente, aproximando-se da reta normal;
- Quando chega perto do chão existe um ar super aquecido de menor densidade que provoca um desvio do meio mais refringente para o mais refringente, provocando, as vezes, a reflexão total. Isso caracteriza as miragens e as impressões de asfalto molhado que temos;
Reflexão Total
- Fibras Ópticas;
- Miragens.
Condições :
- A luz deve vir do + refringente para o menos refringente;
- O ângulo de incidência deve ser maior do que o ângulo limite(L);
Cálculo do ângulo limite (L) :
Dioptro Plano Associação de dois meios com refringência diferentes, separadas por uma superfície plana.
p
p
n
n , ,
Prisma Óptico
ai = i - r a = a1 + a A = r + r' Legenda :
- A: Ângulo de abertura ou Refringência;
- a1: Ângulo desvio (1º Face);
- a2: Ângulo desvio (2º Face);
- a : Ângulo desvio Total
Conclusão : a = i + i' - A Obs.: Pode existir reflexão total em prismas ópticos.
Exercícios de Sala
1. Na figura adiante, um raio de luz monocromático se
propaga pelo meio A , de índice de refração 2,0.
Dados: sen 37° = 0,60, sen 53° = 0, Devemos concluir que o índice de refração do meio B é: a) 0,5 b) 1,0 c) 1,2 d) 1,5 e) 2,
Tarefa Mínima
2. Um raio luminoso incide sobre a superfície da água,
conforme a figura a seguir. Qual alternativa representa o que acontece com o raio?
3. Quando um raio de luz monocromática, proveniente
de um meio homogêneo, transparente e isótropo, identificado por meio A, incide sobre a superfície de separação com um meio B, também homogêneo, transparente e isótropo, passa a se propagar nesse segundo meio, conforme mostra a figura. Sabendo-se que o ângulo é menor que o ângulo , podemos afirmar que:
