Engenharia de Produção Plena

Lista de Exercícios de Física 2CAPÍTULO 18/19

Professora: Elzimar Luz

TERMOLOGIA

1. A que temperatura a leitura da escala Fahrenheit é igual a (a) da escala Celsius (b) da

escala Kelvin (c) metade daquela na escala Celsius?

2. Um estudante paulista resolve construir um termômetro e criar uma escala termométrica

arbitrária "SP" utilizando a data da fundação da cidade de São Paulo, 25 de janeiro de

1554. Adotou como ponto fixo do gelo o número 25 e como ponto fixo do vapor o número

54. Escreva a relação de conversão entre as escala "Celsius" e "SP".

3. Suponha que em uma escala linear de temperatura X, a água evapore a -53,5ºX e

congele a -170ºX. Quanto vale uma temperatura de 340K na escala X (aproxime o ponto

de ebulição da água como 373K)

4. O gráfico abaixo mostra como varia o comprimento de uma barra metálica em função da

temperatura. Determine: a) o coeficiente linear da barra, b) o comprimento da barra para

quando está a temperatura de 70ºC.

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5. Um furo circular em uma placa de alumínio tem um diâmetro de 2,725 cm a 0,000ºC.

Qual é o diâmetro do furo quando a temperatura da placa é aumentada para 100,0ºC?

=23.10-6 K-1

6. A variação da área de uma placa equivale a um milésimo de sua área inicial quando ela

sofre elevação de 30K. Determine nesse intervalo de temperatura os coeficientes de

dilatação linear e volumétrica do material de que é feita a placa.

7. A figura mostra um balanço AB suspenso por fios, presos ao teto. Os fios têm

coeficientes de dilatação linear αA = 1,5 x 10-5 K-1 e αB = 2,0 x 10-5 K-1 e comprimentos LA e

LB, respectivamente, na temperatura T0. Considere LB = 72 cm e determine o

comprimento LA, em cm, para que o balanço permaneça sempre na horizontal, em

qualquer temperatura.

8. Quando a temperatura de uma moeda de cobre é elevada de 100ºC o seu diâmetro

aumenta de 0,18%: Calcule com dois algarismos significativos: (a) O aumento percentual

da área de uma face. (b) O aumento percentual da espessura. (c) O aumento percentual

do volume.

9. A área S de uma placa retangular é ab. Após um aumento de temperatura muito

pequeno ΔT, o lado a aumenta de Δa e o lado b aumenta de Δb. Mostre que se a

pequena quantidade ΔaΔb/ab for desprezada, então ΔS = S(2α)ΔT, sendo α o

coeficiente de dilatação linear de cada lado.

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10.Como resultado de uma elevação de temperatura de 32ºC, uma barra com uma fissura

no seu centro empena para cima. Se a distância fixa L0 for 3,77m e o coeficiente de

expansão linear da barra for 25,00 x 10 -6 ºC-1. Determine a elevação X do centro da

barra.

11. Consideremos um termômetro de mercúrio em vidro. Suponhamos que a seção

transversal do capilar seja constante, de área A0, e que V0 seja o volume do bulbo do

termômetro a 0ºC. Se o mercúrio for exatamente o suficiente para encher o bulbo a 0ºC,

mostre que o comprimento L da coluna de mercúrio no capilar, depois de uma variação

de temperatura ΔT é (

(Considere o coeficiente de dilatação volumétrica do mercúrio e o coeficiente de

dilatação linear do vidro α.)

12. Calcule a quantidade de calor necessária para aquecer 300g de gelo inicialmente a

-15oC até vaporizar totalmente. Faça a curva de aquecimento (temperatura X quantidade

de calor) e anote todos os dados no gráfico. Considere: L fusão = 80 cal/g ; Lvaporização =

540cal/s; cgelo = 0,5 cal/gºC; cagua = 1,0 cal/gºC.

13.A temperatura de 100g de um líquido cujo calor específico é de 0,5 cal /gºC sobe de -10

ºC para 30ºC. Em quantos minutos será realizado esse aquecimento com uma fonte que

fornece 50 calorias por minuto?

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14.Um pequeno aquecedor elétrico de imersão (mergulhão) é usado para aquecer 100g de

água para uma xícara de café instantâneo. O aquecedor está rotulado com 200Watts, o

que significa que é a taxa de conversão de energia elétrica em energia térmica

(1W = 1J/s). Calcule o tempo necessário para levar toda essa água de 23ºC para 100ºC,

ignorando qualquer perda energia do sistema.

15.Uma substância de massa 200g é aquecida por uma fonte de potência constante de

200cal/min conforme o gráfico abaixo. Determine a capacidade térmica e o calor

específico da substância.

16.Que massa de vapor d’água a 100ºC deve ser misturada com 150g de gelo no ponto de

fusão para que se obtenha, num recipiente isolado termicamente, água líquida a 50ºC?

Dados: Lfusão=80cal/g, Lvaporização= 540cal/g, cágua= 1,0cal/gºC, cgelo=0,5cal/gºC.

17.Uma garrafa térmica isolada contém 130cm³ de café quente, a uma temperatura de

80ºC. Você resolve inserir um cubo de gelo de 12g no ponto de fusão para esfriar o café.

De quantos graus o café esfriou quando todo o gelo derreteu? (Considere o café como

sendo água pura). : Lfusão=80cal/g, cágua= 1,0cal/gºC =1g/cm³

18.Uma caixa de isopor usada para manter bebidas frias na praia possui área total

(incluindo a tampa) igual a 0,80m² e a espessura da parede é igual a 2,0 cm. Ela está

cheia de água, gelo e latas de refrigerantes a 0ºC. a) Qual é a taxa de fluxo de calor para

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o interior da caixa se a temperatura da parede externa da caixa é de 50ºC? b) Qual será

a quantidade de gelo que se liquefaz durante 6h? Kisopor=0,01w/mk

19. Sabendo que a área total do corpo humano é aproximadamente igual a 1,20 m 2 e que a

temperatura de sua superfície é de aproximadamente 30 ºC, calcule a taxa total de

transferência de calor do corpo por radiação. Se o meio ambiente está a uma

temperatura de 20ºC, qual é a taxa resultante do calor perdido pelo corpo por radiação?

Explique fisicamente o sinal da taxa resultante encontrada. (A emissividade do corpo é

próxima da unidade, independentemente da cor da pele. σ = 5,67 x 10-8 W/m2K4)

20.Uma barra de aço de 10 cm de comprimento é soldada pela extremidade com uma barra

de cobre de 20cm de comprimento. As duas barras são perfeitamente isoladas em suas

laterais. A seção reta das duas barras é um quadrado de lado igual a 2cm. A

extremidade livre da barra de aço é mantida a 100ºC colocando-a em contato com vapor

d’água obtido por ebulição, e a extremidade livre da barra de cobre está em contato com

gelo a 0ºC. Calcule a temperatura na junção entre as duas barras e a taxa total de

transferência de energia. (Dados: Kaço= 50,2 W/mK e Kcobre= 385,0 W/mK)

21.Se, no exercício anterior separarmos as duas barras e a extremidade de cada barra

submetida a uma diferença de temperatura de 100ºC. Qual seria a taxa total de

transferência de calor nas duas barras?

22.Duas hastes metálicas retangulares idênticas são soldadas extremidade com

extremidade, como mostrado na figura (a) e 10J são conduzidos (em regime

estacionário) através das hastes sob a forma de calor em 2 min. Quanto tempo levaria

para que 10J fossem conduzidos através das hastes se elas fossem soldadas uma na

outra como mostrado na figura (b)?

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23.Um tanque de água ficou destampado em tempo frio, e uma placa de gelo de 5cm de

espessura se formou na sua superfície. O ar acima do gelo está -10ºC. Calcule a taxa de

formação de gelo (em centímetros por hora) na placa de gelo. Adote a condutividade

térmica e massa específica do gelo, respectivamente, 0,0040cal/s.cm³ e ρ=0,92g/cm³.

Suponha que não haja transferência de energia através das paredes ou pelo fundo do

tanque.

24.Considere que 200J de trabalho é realizado sobre um sistema e 70,0cal de calor são

extraídos dos dele. Do ponto de vista da primeira lei da Termodinâmica qual a variação

da energia interna?

25.Uma amostra de gás se expande de 1m³ para 4m³ enquanto a sua pressão diminui de 40

Pa para 10Pa. Quanto trabalho é realizado pelo gás se a sua pressão varia com o

volume passando por cada uma das três trajetórias mostradas no diagrama PXV da

figura abaixo?

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26.Um gás em uma câmara passa pelo ciclo

mostrado na figura. Determine a energia transferida

pelo sistema como calor durante o processo CA se:

a energia adicionada como calor durante o processo

AB é de 20J, nenhuma energia for transferida

como calor durante o processo BC e o trabalho líquido

realizado durante o ciclo for 15J.

27.Um gás dentro de uma câmara passa por um processo mostrado no diagrama PXV da

figura ao lado. Calcule o calor total adicionado ao sistema durante o ciclo completo.

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28.Um cilindro tem um pistão metálico de 2,0kg bem ajustado cuja área de seção reta é 2,0

cm². O cilindro contém água e vapor a temperatura constante. Observa-se que o pistão

cai lentamente com velocidade de 0,30cm/s porque o calor flui fora do cilindro através de

suas paredes. Quando isto ocorre parte do vapor condensa-se nas paredes da câmara.

A massa específica (densidade) dentro da câmara é de 6,0 x 10 -4 g/cm³ e a pressão

atmosférica é 1,0 atm.

a) Calcule a taxa de condensação do vapor.

b) A que taxa o vapor esta saindo da câmara?

c) Qual a taxa de variação da energia interna do vapor e da água dentro da câmara?

29.Uma seringa de injeção com o êmbolo na marca de 20cm³, a temperatura ambiente de

27ºC e pressão de 1atm, é colocada num freezer a -13ºC. Verifica-se que, ao atingir o

equilíbrio térmico, o embolo da seringa marca 18cm³, determine qual é, nessas

condições, a pressão do ar aprisionado na seringa.

30.Um recipiente de 2,0L contém um gás perfeito a temperatura de 27ºC e pressão de

50Pa. Determine:

A) O número de mols contidos nesse recipiente.

B) O número de moléculas desse gás aprisionadas no recipiente.

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31.Um tanque contém 2,5mols de hélio a 17ºC. Admitindo que nessas condições o hélio se

comporte como um gás ideal, determine:

A) A Einterna total do sistema

B) A energia cinética média, K, de cada átomo.

32.Um cilindro com 5,4 mols de hélio a 300K é aquecido até sua temperatura atingir 500K.

A) Determine a quantidade de calor absorvido pelo hélio quando: a pressão é

mantida constante, e, quando o volume é mantido constante.

B) Determine a variação da energia interna do sistema.

C) O trabalho realizado a pressão constante.

D) O trabalho realizado a volume constante.

33.Um mol de oxigênio se expande isotermicamente a 310K, de um volume inicial Vi = 12L

para Vf = 19L.

A) Qual o trabalho realizado pelo gás ao se expandir?

B) Qual o trabalho realizado pelo gás durante uma compressão isotérmica de Vi =19L

para Vf = 12L?

34.Seja um frasco aberto contendo um gás a 27ºC. A que temperatura devemos aquecê-lo

para que saia 1/3 do número de moléculas desse gás de dentro do frasco.

35.Uma concentração de 0,4% de CO2 no ar (volume) produz a morte de um indivíduo em

um tempo muito curto. O motor desajustado de um carro pode produzir 0,67 mols de CO2

por minuto. Se o carro ficar ligado numa garagem fechada, com volume de 41000L a

27ºC, em quanto tempo a concentração de CO2 atingirá ao valor mortal? Suponha que

P=1atm seja constante e que a concentração inicial de CO2 seja nula.

36.Uma quantidade de oxigênio ocupando um volume de 1000cm3 a 40ºC e uma pressão

de 1,01.105 Pa se expande até um volume de 1500cm³ e pressão 1,06.105Pa.

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a. Encontre o número de moles de oxigênio no sistema.

b. Encontre a temperatura final do sistema.

37.Mostre que a variação de pressão na atmosfera terrestre, suposta isotérmica, é dada

por: . Considerando que um fluido em repouso na atmosfera, obedece a

equação diferencial: dp= - . Use a equação dos gases ideais , onde m é a

massa do elemento e M é a massa molar.

38.Um mol de um gás ideal sofre uma expansão isotérmica. Determine a energia adicionada

ao gás sob a forma de calor em termos dos volumes inicial e final e da temperatura.

39.Um mol de um gás ideal monoatômico percorre o ciclo 123 da figura. O processo 1→ 2 é

isocórico, o processo 2→ 3 é adiabático e o processo 3→1 é isobárico.

A) Calcule o calor trocado Q, a variação de energia interna e o trabalho realizado

W para cada um dos três processos e para o ciclo como um todo.

B) Sendo a pressão no ponto 1 igual a 1,0 atm, determine a pressão e o volume nos

pontos 2 e 3. Use 1,0 atm= 1,013.105 Pa e R = 8,314 J/moLK.

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T1=300KT2=600KT3=455K