Fundamentos da TermodinâmicaLista de Exercícios 1

Prof. Edevaldo Miguel

1) Para medir a febre de pacientes, um estudante de medicina criou sua própria escala linear de temperaturas. Nessa nova escala, os valores de 0 (zero) e 10 (dez) correspondem, respectivamente, a 37°C e 40°C. A temperatura de mesmo valor numérico em ambas as escalas é equivalente a quantos graus Celsius:

2) Quando Fahrenheit definiu a escala termométrica que hoje leva o seu nome, o primeiro ponto fixo definido por ele, o 0ºF, corresponde à temperatura obtida ao se misturar uma porção de cloreto de amônia com três porções de neve, à pressão de 1,0 atm. Qual é esta temperatura na escala Celsius nas mesmas condições de Pressão?

3) Uma escala termométrica arbitrária X atribui o valor 20°X para a temperatura de fusão do gelo e 80°X para a temperatura de ebulição da água, sob pressão atmosférica. Quando a temperatura de um ambiente sofre uma variação de 25°X sob mesma pressão,qual a variação de temperatura correspondente na escala Celsius?

4) Um cientista fabricou um termômetro cuja escala tinha origem no zero absoluto. No ponto de fusão do gelo, o termômetro indicava 600°Y. Qual valor este termômetro indicará no ponto de vapor da água?

5) Um turista brasileiro, ao desembarcar no aeroporto de Chicago, observou que o valor da temperatura lá indicado, em °F, era um quinto do valor correspondente em °C.Qual foi o valor observado?

6) Em uma experiência, um determinado líquido teve sua temperatura aumentada em 27°F. Qual foi o aumento da temperatura na escala Celsius?

7) Um aluno de engenharia precisou, por um instante, de um termômetro graduado na escala Fahrenheit para medir a temperatura de uma peça, ele não tinha. Momentos depois ele encontrou perdido um termômetro na escala Celsius, porem estava com a graduação apagada. Para solucionar o problema ele pegou um pedaço de fita métrica qualquer e colou o termômetro e assim desenvolveu uma escala provisória. O aluno então colocou este termômetro num recipiente contendo água e gelo a leitura deste termômetro foi de 2,5 cm e quando ele colocou o mesmo termômetro em água em ebulição a leitura foi de 12,5 cm. Ao aferir a temperatura da peça, viu que a leitura foi 6,5cm. Qual a temperatura da peça na escala Fahrenheit?

8) Você é convidado a projetar uma ponte metálica, cujo comprimento será de 2,0 km. Considerando os efeitos de contração de expansão térmica para temperatura no intervalo de -40ºC e 40ºC e o coeficiente de dilatação linear do metal, que é 12 x 10-6 ºC-1, qual é a máxima variação esperada no comprimento da ponte?

9) Na construção civil para evitar rachaduras nas armações longas de concreto, como por exemplo, nas pontes, usa-se a construção em blocos separados por pequenas distâncias preenchidas com material de grande dilatação térmica em relação ao concreto, como o piche betuminoso. Uma barra de concreto, de coeficiente linear 1,9×10-5/ºC e comprimento 100 metros a 30ºC sofrerá uma dilatação linear a 40ºC em quantos cm?

10) Um furo circular em uma placa de alumínio tem 2,725 cm de diâmetro a 0ºC. Qual é o diâmetro do furo quando a temperatura da placa é aumentada para 100°C? ( = 23 x 10-6°C-1)

11) Uma chapa metálica quadrada possui um furo circular de raio r0 em seu centro. Deseja-se encaixar uma chapa metálica circular de raio r = r0+x no orifício da chapa quadrada, que é do mesmo material metálico. Sabe-se que um cubo com volume inicial V0 deste material metálico sofreu uma variação volumétrica ΔV=V0/10 após o aquecimento de um grau Celsius (1°C). Qual a variação de temperatura (ΔT) necessária para que a chapa circular caiba exatamente no orifício da chapa quadrada? Considere o material puro, homogêneo, isótropo e que somente a chapa circular sofre variação de temperatura.

R:

ΔT=15[ r 02

(r0+x )2−1]

12) Uma placa metálica quadrada é dobrada de modo a formar um cilindro (sem fundo e sem tampa). O volume no interior desse cilindro é 18 litros. Ao ter sua temperatura aumentada de 40ºC, a placa dilata de forma que sua área aumenta de 72 mm2. Considerando-se π = 3, qual o coeficiente de dilatação linear do material do qual a placa é constituída vale, em ºC–1?

13) Uma arruela de metal, de 2,0 cm de diâmetro externo e 1,0 cm de diâmetro interno, é aquecida de modo que seu diâmetro externo aumente de ∆x. Nesse caso, determine o aumento do diâmetro interno.

14) Uma ponte de aço tem 1,0km de extensão à temperatura ambiente (20°C). Em determinado dia, os termômetros na cidade acusaram 40°C. Neste dia, a extensão da ponte aumentou quantos cm? ( = 11 x 10-6°C-1)

15) O gráfico a seguir representa a variação, em mm, do comprimento de uma barra metálica, de tamanho inicial igual a 1000m, aquecida em um forno industrial. Qual o valor do coeficiente de dilatação térmica linear do material de que é feita a barra, em unidades de 10-6°C-1?

16) Um líquido tem massa específica de 0,795 g/cm3a 15 ºC, e de 0,752 g/cm3 à temperatura de 45 ºC. Determine o coeficiente de dilatação volumétrica do líquido.

17) O dono de um posto de combustível consulta uma tabela de coeficientes de dilatação volumétrica, obtendo para o coeficiente de dilatação volumétrica do álcool etílico o valor de 10-3 ºC-1. Ele compra 14 000 litros do combustível a um custo de R$ 1,599 por litro em um dia em que a temperatura é de 20ºC. Ao revendê-loa um custo de R$ 2,879 por litro num dia mais quente, em que esta temperatura seja de 30ºC, qual o lucro previsto pelo dono do posto?

18) Uma chapa de ferro quadrada de lado 10,0 cm aumentou em 1,0% de sua área inicial ao ser submetida à determinada variação de temperatura. Sabendo que a chapa encontrava-se com temperatura média de 25°C, qual a temperatura final da chapa após esta variação em sua superfície?

19) Uma jarra de 1,0 litro de água ficou sobre a mesa de uma área de lazer externa, estando exposta a luz solar durante determinado tempo em um belo dia de sol, atingindo uma temperatura de 34°C. Se você despeja 240 ml em um copo de isopor e adiciona neste copo dois cubos de gelo (cada um com 25,0g e a 0,0°C),

qual a temperatura final da água considerando que ser desprezível as trocas de energia entre o copo de isopor e o ambiente?

20) Uma pedra de gelo de 50g, inicialmente com temperatura de -10°C é colocada em um recipiente com 200g de água à 30°C. Admitindo que o sistema esteja à pressão atmosférica normal e desprezando o calor cedido pelo recipiente, qual a massa de gelo que derreteu após o estabelecimento do equilíbrio térmico?

21) Quanta energia deve ser removida de 0,500kg de álcool etílico que está inicialmente na forma de gás a 78,0°C para que ele se torne um sólido a -114°C?

22) Em uma determinada indústria de peças de ferro, cada peça é fabricada ainda quente e maleável, visando a forma e tamanhos corretos. Suponha que certa peça de 750 g de ferro tenha sido retirada do fogo, já moldada e configurada a uma temperatura de 650°C, e mergulhada em um balde com 25 litros de água a 10°C. Qual a temperatura final da água depois de atingido o equilíbrio térmico com a peça de ferro? Despreze qualquer troca de calor com o balde e o ambiente.

23) Uma massa de 1,0kg de glicerina a 10°C, que apresenta calor específico 0,6 cal/goC, recebe 18000 calorias de uma determinada fonte de calor. Determine (a) a temperatura final da glicerina e (b) o aumento do volume de glicerina, em %, sabendo que seu coeficiente de dilatação volumétrica é 4,9x10-4°C-1.

24) Uma fonte térmica fornece, em cada minuto, 20 calorias. Para produzir um aquecimento de 20oC para 50oC em 0,5kg de um determinado líquido, são necessários 15 minutos. Qual o calor específico do líquido.

25) Um corpo de massa 200g a 50oC, feito de um material desconhecido, é mergulhado em 50g de água a 90o C. O equilíbrio térmico se estabelece a 60oC. Sendo 1,0 cal/goC o calor específico da água, e admitindo só haver trocas de calor entre o corpo e a água, determine o calor específico do material desconhecido.

26) Um objeto de massa 80g a 92oC é colocado dentro de 400g de água a 20oC. A temperatura de equilíbrio é 30oC, e o objeto e a água trocam calor somente entre si. Calcule o calor específico do objeto. O calor específico da água é 1,0 cal/goC.

27) Calcule a quantidade de calor necessária para transformar 300g de gelo a -10oC em água a 20oC, sabendo que o calor latente de fusão da água é LF = 79,5cal/g, o calor específico da água é 1,0 cal/g°C e o calor de específico do gelo 0,5 cal/g°C.

28) O gráfico representa a temperatura de uma amostra de massa 20g de determinada substância, inicialmente no estado sólido, em função da quantidade

de calor que ela absorve. Qual (a) o calor específico do material no estado sólido (b) o calor latente de fusão da substância.

29) Uma pedra de gelo de 200g, inicialmente com temperatura de -10°C é colocada em um recipiente com 400g de água à 30°C. Admitindo que o sistema esteja à pressão atmosférica normal e desprezando o calor cedido pelo recipiente, determine a temperatura de equilíbrio térmico. Sendo que o calor específico do gelo é 2,1x103 J/kgK, a temperatura de fusão do gelo é 0°C, o calor latente de fusão do gelo é 3,3x105 J/kg e o calor específico da água é aproximadamente 4,2x103 J/kgK.

30) Na questão anterior, qual a massa de gelo que derreteu?

31) Em um prédio residencial construído em uma cidade cuja o mínimo de temperatura atingida pelo ambiente é – 17°C, foi feito um revestimento térmico na parede, de tal forma que a temperatura no interior seja em média 22°C. A espessura da parede e revestimento juntos é exatamente 25 cm e a condutividade térmica do conjunto parede e revestimento do prédio é 8 x 105 cal/s.m°C. Quantas calorias são transmitidas do interior do prédio para o exterior, por metro quadrado, durante uma hora?

32) Qual é a taxa de perda de energia em watts por metro quadrado através de uma janela de vidro de 3,0 mm de espessura se a temperatura externa é – 20°F e a temperatura interna é +72 °F? (kvidro = 1,0 W/m.K)

33) Uma barra metálica é aquecida conforme a figura. Os pontos A, B e C são termômetros. Admita a condução de calor em regime estacionário e no sentido longitudinal da barra. Quando os termômetros das extremidades indicarem 200 °C e 80 °C. Qual a indicação do termômetro intermediário?

34) Considere-se uma pessoa cuja área exposta é de 1,7 m2, a sua emissividade de 0,7 e a temperatura da sua superfície de 32°C. Determinar o calor que esta pessoa perde por radiação numa sala grande se esta tiver as paredes a 300K.

35)Um cilindro maciço de raio r = 2,5cm, comprimento L = 5,0cm, emissividade = 0,850 e temperatura T = 30°C está suspenso em um ambiente de temperatura T = 50°C. Qual a taxa líquida de transferência de energia térmica por radiação por meio do cilindro?

36) Uma parede de tijolos e uma janela de vidro de espessura 180mm e 2,5mm, respectivamente, têm suas faces sujeitas à mesma diferença de temperatura. Sendo as condutibilidades térmicas do tijolo e do vidro iguais a 0,12 e 1,00 na mesma unidade de medidas no sistema internacional, respectivamente. Neste caso, qual a razão entre o fluxo de calor conduzido por unidade de superfície pelo vidro e pelo tijolo?

37) Uma esfera de raio 0,020m que tem uma emissividade de 0,80 e uma temperatura de 500K em um ambiente cuja temperatura é de 30°C irradia uma potencia líquida P. Se esta energia liquida, por algum meio, fosse conduzida a um bloco de 50,0g de gelo à -10°C. Em quanto tempo a pedra de gelo estaria totalmente derretida? (cgelo = 0,53cal/g°C e LF = 79,5 cal/g)