Física II Aula 1

Termologia

Tópico 1: Escalas termométricas Para que seja possível medir a temperatura de um corpo, foi desenvolvido um aparelho chamado termômetro. O termômetro mais comum é o de mercúrio, que consiste em um vidro graduado com um bulbo de paredes finas que é ligado a um tubo muito fino, chamado tubo capilar. Quando a temperatura do termômetro aumenta, as moléculas de mercúrio aumentam sua agitação fazendo com que este se dilate, preenchendo o tubo capilar. Para cada altura atingida pelo mercúrio está associada uma temperatura. A escala de cada termômetro corresponde a este valor de altura atingida. Escalas Termométricas: Escala Celsius: É a escala usada no Brasil e na maior parte dos países, oficializada em 1742 pelo astrônomo e físico sueco Anders Celsius (1701-1744). Esta escala tem como pontos de referência a temperatura de congelamento da água sob pressão normal (0°C) e a temperatura de ebulição da água sob pressão normal (100°C). Escala Fahrenheit: Outra escala bastante utilizada, principalmente nos países de língua inglesa, criada em 1708 pelo físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), tendo como referência a temperatura de uma mistura de gelo e cloreto de amônia (0°F) e a temperatura do corpo humano (100°F). Escala Kelvin: Também conhecida como escala absoluta, foi verificada pelo físico inglês William Thompson (1824-1907), também conhecido como Lorde Kelvin. Esta escala tem como referência a temperatura do menor estado de

agitação de qualquer molécula (0K) e é calculada a partir da escala Celsius. Por convenção, não se usa "grau" para esta escala, ou seja 0K, lê-se zero kelvin e não zero grau kelvin. Comparação entre as escalas termométricas:

Conversão de temperatura:

Conversão de variação de temperatura:

Tópico 2: Processos de troca de calor; Calor e energia térmica: equilíbrio térmico, calor sensível, calor latente e calor de combustão. Conceitos: Calor: Considere dois corpos, A e B, que

possuem temperaturas diferentes e estão

em contato térmico, como ilustra a figura

abaixo:

Após algum tempo, observamos que esses dois corpos encontram-se com a mesma temperatura. O que estava com maior temperatura esfriou e o que estava com menor temperatura esquentou. Quando isso ocorre, dizemos que os corpos estão em equilíbrio térmico e a

temperatura final é chamada de temperatura de equilíbrio. Isso acontece porque o corpo de maior temperatura fornece certa quantidade de energia térmica para o outro de menor temperatura. Essa energia térmica quando está em transito de um corpo para outro é denominada calor.

Temperatura: Os objetos na natureza, assim como nós, são feitos de pequenas partículas que conhecemos como moléculas. Com elas ocorre algo invisível. Elas estão em constante estado de agitação, no caso dos sólidos, ou de movimentação, como ocorre em líquidos ou gases. Essa situação não é constante, elas podem estar mais ou menos agitadas, dependendo do estado energético em que elas se encontram. O que se observa é que quanto mais quente está o corpo, maior é a agitação molecular e o inverso também é verdadeiro, ou seja, a temperatura é uma grandeza física que está associada de alguma forma ao estado de movimentação ou agitação das moléculas.

Grau de agitação pelo estado físico: Gasoso > Líquido > Sólido

Calor Sensível: ele provoca apenas variação na temperatura do corpo, sem que aconteça mudança no seu estado de agregação, ou seja, se o corpo é sólido continua sólido e o mesmo acontece com os estados líquidos e gasosos.

Fórmula: Legenda: Q – Calor sensível m – Massa c – Calor específico ∆θ – Variação da temperatura

Obs.: Calor específico: Varia de acordo com o material; Informa a quantidade de calor que um grama de substância deve receber ou ceder para que nela aconteça a variação de um grau de temperatura. Capacidade Térmica: Determina a Quantidade de calor que deve ser fornecida a uma certa substância para que ela aumente sua temperatura em um grau sua temperatura

Fórmula:

Calor Latente: Ele provoca a mudança de estado físico, sem alteração na temperatura do corpo.

Fórmula: Legenda: Q – Quantidade de calor m – Massa L – Calor latente

Exercícios

1.(PSS-2012) As usinas siderúrgicas usam em larga escala o processo de fundição, no qual uma peça de aço em estado sólido é aquecida a partir de uma temperatura inicial até atingir o seu estado líquido. Para a realização desse processo, é preciso fornecer calor à peça. Sabendo que o calor latente de fusão do aço é 300 J/g, identifique as afirmativas corretas relacionadas ao processo de fundição: I. A quantidade de calor fornecida à peça depende da sua temperatura inicial. II. A quantidade de calor fornecida à peça é proporcional à sua massa. III. A quantidade de calor fornecida para a fusão de uma peça de 20 g é 6.000 J. IV. A quantidade de calor fornecida a uma peça diminui se a temperatura de fusão do aço também diminuir, mantendo os outros parâmetros fixos. V. A temperatura da fase líquida é, durante a fusão do aço, maior do que a temperatura da fase sólida. 2.(PSS-2010) Durante uma temporada de férias na casa de praia, em certa noite, o filho caçula começa a apresentar um

quadro febril preocupante. A mãe, para saber, com exatidão, a temperatura dele, usa um velho termômetro de mercúrio, que não mais apresenta com nitidez os números referentes à escala de temperatura em graus Celsius. Para resolver esse problema e aferir com precisão a temperatura do filho, a mãe decide graduar novamente a escala do termômetro usando como pontos fixos as temperaturas do gelo e do vapor da água. Os valores que ela obtém são: 5 cm para o gelo e 25 cm para o vapor. Com essas aferições em mãos, a mãe coloca o termômetro no filho e observa que a coluna de mercúrio para de crescer quando atinge a marca de 13 cm. Com base nesse dado, a mãe conclui que a temperatura do filho é de: a) 40,0 ºC d) 38,5 ºC b) 39,5 ºC e) 38,0 ºC c) 39,0 ºC 3.(PSS-2010) Uma maneira bastante prática e rápida de aquecer água é através de um aquecedor elétrico de nome popular “mergulhão”. Uma dona de casa costuma usar um mergulhão que fornece 25 kcal de energia por minuto, para aquecer água. Desprezando o calor absorvido pelo recipiente que contém a água e o calor perdido para a atmosfera, identifique as afirmativas corretas: I. O mergulhão gasta 3 minutos para elevar, de 25 ºC até 100 ºC, a temperatura de um litro de água. II. O mergulhão gasta 3 minutos para elevar, de 25 ºC até 50 ºC, a temperatura de três litros de água. III. O mergulhão gasta 6 minutos para elevar, de 25 ºC até 100 ºC, a temperatura de um litro de uma determinada substância líquida, cujo calor específico é igual à metade do calor específico da água, porém de igual densidade. IV. O mergulhão gasta meio minuto para elevar, de 20 ºC até 45 ºC, a temperatura de um litro de água. V. O mergulhão leva um minuto para elevar em 50 ºC a temperatura de uma

determinada substância de capacidade térmica 5x10-1 kcal/ºC. 4.(PSS-2007) Em uma conferência pela internet, um meteorologista brasileiro conversa com três outros colegas em diferentes locais do planeta. Na conversa, cada um relata a temperatura em seus respectivos locais. Dessa forma, o brasileiro fica sabendo que, naquele momento, a temperatura em Nova Iorque é TNI=33,8 °F, em Londres, TL=269 K, e em Sidnei, TS=27 °C. Comparando essas temperaturas, verifica-se: a) TNI>TS>TL d) TS>TNI>TL b) TNI>TL>TS e) TS>TL>TNI c) TL>TS>TNI

5.(PSS-2007) Um engenheiro testa materiais para serem usados na fabricação da carroceria de um automóvel. Entre outras propriedades, é desejável a utilização de materiais com alto calor específico. Ele verifica que, para aumentar em 3 °C a temperatura de 32g do material A, é necessário fornecer 24cal de calor a esse material. Para obter o mesmo aumento de temperatura em 40g do material B, é preciso 24cal. Já 50g do material C necessitam 15cal para sofrer o mesmo acréscimo de temperatura. Os calores específicos dos materiais A, B e C são respectivamente: a) cA=0 ,25cal/g°C ; cB=0 ,20cal/ g°C ; cC=0 ,10cal/g°C b) cA =0 ,20cal/g°C ; cB =0 ,35cal/ g°C ; cC =0 ,15cal/ g°C c) cA =0 ,30cal/ g°C ; cB =0 ,10cal/ g°C ; cC =0 ,20cal/ g°C d) cA =0 ,35cal/ g°C ; cB =0 ,20cal/ g°C ; cC =0 ,10cal/ g°C e) cA =0 ,10cal/ g°C ; cB =0 ,30cal/ g°C ; cC =0 ,25cal/ g°C 6.(PSS-2003) Num copo, há 100 gramas de água (calor específico c = 1,0 cal/gº C) à temperatura de 30º C. Desejando-se resfriar a água, colocam-se neste copo 100 gramas de gelo (calor latente de fusão L = 80 cal/g) à temperatura de 0º C.

Considerando-se o copo como um calorímetro de capacidade térmica desprezível, após o equilíbrio térmico a temperatura será de: a) –20º C b) –10º C c) 0º C d) 10º C e) 20º C 7.(PSS-2002) Na tabela ao lado, estão relacionados os calores específicos (C) e as massas (M) de três corpos. Se uma mesma quantidade de calor for absorvida pelos corpos 1, 2 e 3 , eles sofrerão variações de temperatura ∆T1 , ∆T2 e ∆T3 , respectivamente.

Então, é correto afirmar: a) ∆T1 > ∆T2 > ∆T3 b) ∆T1 > ∆T3 > ∆T2 c) ∆T2 > ∆T1 > ∆T3 d) ∆T3 > ∆T2 > ∆T1 e) ∆T2 > ∆T3 > ∆T1 8.(PSS-2001) Para uma análise das propriedades térmicas de um sólido, mediu-se a quantidade de calor Q (em calorias) que ele absorvia para atingir diferentes temperaturas T (em graus Celsius), a partir de uma temperatura inicial fixa. Os resultados estão apresentados no gráfico ao lado. Sabendo-se que a massa do sólido vale 50 g, conclui-se que o calor específico do

material de que ele é feito vale

a) 0,4 cal / g ºC d) 1,0 cal / g ºC b) 0,6 cal / g ºC e) 1,2 cal / g ºC c) 0,8 cal / g ºC 9.(PSS-2000) Misturam-se 800g de água a 20ºC com uma massa de gelo a -20ºC. Para que, no equilíbrio térmico, a mistura seja composta apenas de água a 10ºC, a massa desse gelo deve ser: a) 80g b) 100g c) 200g d) 400g e) 800g 10.(UaB-2008) Dois corpos idênticos, inicialmente a temperaturas diferentes, são colocados em contato entre si. A forma de energia transmitida do corpo mais quente ao mais frio é: a) Temperatura b) Calor c) Trabalho d) Pressão e) Energia mecânica 11.(UaB-2007) Três corpos idênticos 1, 2 e 3 estão, inicialmente, isolados e a temperaturas diferentes, T1, T2 e T3, respectivamente, com T1<T2<T3. O corpo 1 é então posto em contato com o corpo 2 até atingirem o equilíbrio térmico à temperatura T. Em seguida, o corpo 2 é separado do corpo 1 e posto em contato com o corpo 3 até atingirem o equilíbrio

térmico. Supondo que não houve troca de calor com o meio ambiente, a temperatura alcançada pelo corpo 3 é: a) (T1 +T2 +T3)/4 d) (2T1 +2T2 +T3)/3 b) (T1 +T2 +T3)/3 e) (T1 +T2 +2T3)/4 c) (T1 +T2 +2T3)/3 12.(UaB-2009) Em um noticiário da CNN, um repórter que estava em Londres fez o seguinte comentário: “Nesse momento, aqui em Londres, a temperatura é de quarenta e um graus Fahrenheit”. Um telespectador, no Brasil, deseja saber, na escala Celsius, a que valor essa temperatura corresponde. Para isso, consulta um livro de Física e verifica que a escala Fahrenheit é baseada nas temperaturas da água na solidificação (32 °F) e na vaporização (212 °F). A partir dessas informações, o telespectador constata que 41 °F correspondem a: a) 0 °C c) 10 °C e) 20 °C b) 5 °C d) 15 °C 13.(UaB-2012) O gráfico a seguir representa a variação de temperatura de uma amostra de 100 gramas de um determinado material, em função da quantidade de calor por ele absorvido:

Com base nesse gráfico, é correto afirmar que o calor específico dessa amostra é: a) 0,2 cal/g 0 C d) 1,0 cal/g 0 C b) 0,4 cal/g 0 C e) 1,6 cal/g 0 C c) 0,8 cal/g 0 C 14.(UFPB-1999) Uma massa de gelo, inicialmente a –50 °C , recebe calor até se vaporizar totalmente. Sendo Q o calor

total recebido para atingir a temperatura T , o gráfico que melhor representa qualitativamente T , em função de Q , é a)

b)

c)

d)

e)

15.(UFPB-1998) Misturam-se, num recipiente de capacidade térmica desprezível, 300g de água, a 10 ºC, com 700g de gelo, a –20 ºC. A mistura atinge o equilíbrio térmico a 0ºC e não há perda de calor para o meio ambiente. Determine as massas de água e de gelo que se encontram na mistura quando se atinge o equilíbrio térmico. 16.(UFPB-1998) 80g de uma substância, inicialmente na fase sólida, recebem calor. O gráfico da temperatura T em função do calor recebido Q é dado abaixo.

O calor latente de fusão desta substância, em cal/g, vale a) 10 b) 20 c) 30 d) 40 e) 80 17.(UFPB-1994) Um recipiente contém uma determinada quantidade de líquido a 100°C. Outro recipiente contém o dobro da quantidade do mesmo líquido contido no primeiro a 40°C. Os conteúdos dos dois recipientes são misturados. Determine, em °C, a temperatura de equilíbrio térmico da mistura, supondo-se que não haja perda de calor. 18.(UFPB-1995) Qual a quantidade de calor necessária para se transformar 10 g de gelo a 0 °C em água a 20 °C?

19. O estudante de direito Ocino Júnior fez uma viagem a Disneylândia para curtir o período de greve de sua universidade. Conhecedor da língua inglesa, ele resolveu assistir um telejornal norte-americano, que trouxe a seguinte informação sobre o tempo no local, devidamente traduzida: “Hoje o tempo é bom, mínima de 50 °F e máxima de 59 °F”. Diante da informação acima, o estudante deduziu que a variação de temperatura naquele dia, em °C, será de: a) 4,5 b) 5,0 c) 6,0 d) 7,5 e) 9,0 20.(UFPB-1995) Coloca-se uma moeda de metal de 50g, que está na temperatura de 100ºC, num recipiente que contém 300g de água a 20ºC. Supondo que seja desprezível a capacidade térmica do recipiente e que não haja perda de calor, determine a temperatura final de equilíbrio. Considere o calor específico da água 1 cal/gºC e o calor específico do metal 0,4cal/gºC. 21.(UFPB-1994) A variação do calor específico C, da água com a temperatura T, é dada pelo gráfico abaixo. Sabendo-se que o calor latente de fusão do gelo vale 80 cal/g, determine a quantidade de calor necessária para aquecer 200 g de água de 10 °C a 20 °C.