problemas de física - termologia

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RESOLUÇÃO DE EXERCÍCIOS E PROBLEMAS

DO LIVRO: FÍSICA – VOLUME 2 Beatriz Alvarenga e Antônio Máximo

Exercícios de Fixação - página 55: 7. a) Explique por que um copo de vidro comum provavelmente se quebrará se você o encher parcialmente com água fervendo. RESPOSTA: A parte do copo em contato com a água se aquecerá mais e, portanto, se dilatará mais do que a parte superior. Isto provavelmente fará com que o copo se quebre mais facilmente. b) Por que, enchendo-o completamente, há menor probabilidade de se quebrar o copo? RESPOSTA: Neste caso, todas as partes do copo aquecem-se e se dilatam, isto é, o copo dilata-se como um todo e, assim, provavelmente não se quebrará. c) Por que o copo não se quebrará se for de vidro pirex? RESPOSTA: Porque o vidro pirex tem um coeficiente de dilatação relativamente pequeno (3,2 x 10-6 ºC-1), isto é, o copo de vidro pirex dilata-se muito pouco e, por isto, não se quebra quando é aquecido. 8. Para compreender o significado do coeficiente de dilatação linear, copie as afirmações seguintes em seu caderno e complete os espaços vazios que nelas aparecem: quando se diz que o coeficiente de dilatação linear no chumbo vale 29 x 10-6 C-1, isto significa que uma barra de chumbo: a) De 1 km de comprimento dilata-se de 29 x 10-6 km quando sua temperatura aumenta de XXX. RESPOSTA: Como para o Pb α = 29 x 10-6 ºC-1 , isto significa que uma barra de Pb de 1 cm (ou 1 m, ou 1 km, ou 1 polegada) de comprimento dilata-se 29 x 10-6 cm (ou m, ou km, ou polegada) quando sua temperatura aumenta de 1ºC. b) De 1 polegada de comprimento dilata-se de 29 x 10-6 polegadas quando sua temperatura aumenta de XXX. RESPOSTA: também de 1ºC. 9. a) Duas barras, A e B, de mesmo comprimento inicial, sofrem a mesma elevação de temperatura. As dilatações destas barras poderão ser diferentes? Explique. RESPOSTA: Temos ∆L = αL0∆T. Os valores de L0 e ∆T são iguais para as duas barras. Vemos então que, se elas possuírem diferentes valores de α (barras feitas de materiais diferentes), sofrerão dilatações diferentes. b) Duas barras, A e B, de mesmo material, sofrem a mesma elevação de temperatura. As dilatações destas barras poderão ser diferentes? Explique. RESPOSTA: Examinando novamente a expressão ∆L = αL0∆T, vemos que, agora, α e ∆T são iguais para as duas barras. Entretanto, é claro que elas poderão apresentar dilatações diferentes, desde que seus comprimentos iniciais sejam diferentes. 14. Uma esfera de aço está flutuando na superfície do mercúrio contido em um recipiente. Suponha que, por um processo qualquer, apenas a temperatura da esfera seja aumentada. a) A densidade da esfera irá aumentar, diminuir ou não sofrerá alteração? RESPOSTA: A esfera de aço se dilatará, isto é, terá seu volume aumentado. Então, é claro que sua densidade se tornará menor (lembre-se de que d=m/v).


b) Então, a fração submersa da esfera aumentará, diminuirá ou não sofrerá alteração? RESPOSTA: Como a densidade do Hg não se modificou e a densidade da esfera tornou-se menor, concluímos que ela flutuará com uma menor fração de seu volume submerso no Hg (de fato, sabemos da Hidrostática que quanto menor for a densidade de um sólido que flutua em um líquido, menor será a fração do volume deste sólido que ficará submersa no líquido). 15. Uma pessoa encheu completamente o tanque de gasolina de seu carro e deixou-o estacionado ao sol. Depois de um certo tempo, verificou que, em virtude da elevação de temperatura, uma certa quantidade de gasolina havia entornado. a) O tanque de gasolina se dilatou? RESPOSTA: É de se esperar que, em virtude da elevação de temperatura, tenha ocorrido uma dilatação do tanque de gasolina (sua capacidade tornou-se um pouco maior). b) A quantidade que entornou representa a dilatação real que a gasolina sofreu? RESPOSTA: Não, como vimos, em virtude de ter ocorrido uma dilatação no tanque, o volume que entornou representa a dilatação aparente da gasolina. c) Então, a dilatação real da gasolina foi maior, menor ou igual à dilatação do tanque? RESPOSTA: Se entornou uma parte da gasolina, concluímos que sua dilatação real foi maior do que a dilatação do tanque. d) E o coeficiente de dilatação da gasolina é maior, menor ou igual ao coeficiente de dilatação volumétrica do material de que é feito o tanque? RESPOSTA: O tanque e a gasolina apresentavam o mesmo volume inicial V0 (tanque cheio) e sofreram a mesma elevação de temperatura ∆T. Como houve maior aumento no volume da gasolina, concluímos, pela expressão ∆V = γV0∆T, que o valor de γ para a gasolina é maior do que para o material do tanque. 18. Uma esfera de madeira está flutuando na superfície da água, contida em um recipiente, à temperatura de 2 ºC. Se apenas a água for aquecida até sua temperatura atingir 4 ºC: a) O volume da água aumentará, diminuirá ou não sofrerá alteração? RESPOSTA: Ao passar de 2ºC para 4ºC, sabemos que o volume da água diminui. b) A densidade da água aumentará, diminuirá ou não sofrerá alteração? RESPOSTA: Em virtude da contração sofrida, a densidade da água aumentará (densidade máxima a 4ºC). c) Então, a parte submersa da esfera aumentará, diminuirá ou não sofrerá alteração? RESPOSTA: Como houve um aumento da densidade da água, sabemos da Hidrostática que a esfera passará a flutuar com menor volume submerso. 19. Responda às questões do exercício anterior supondo, agora, que a temperatura da água fosse aumentada, a partir de 4 ºC, para 20 ºC. RESPOSTA: a) Acima de 4ºC, a água se dilata normalmente. Logo, seu volume aumentará ao ser aquecida de 4ºC para 20ºC. b) Havendo um aumento de volume, é claro que haverá uma diminuição na densidade da água. c) Consequentemente, para a esfera flutuar em equilíbrio (continuar recebendo o mesmo empuxo), ela deverá afundar um pouco mais na água (seu volume submerso aumentará).


Revisão - página 65: 7. Conhecendo-se o coeficiente de dilatação linear de um sólido, como procedemos para determinar o seu coeficiente de dilatação superficial? E o seu coeficiente de dilatação volumétrica? RESPOSTA: Temos β = 2α e γ = 3α. 8. O que ocorre com a densidade de um sólido quando sua temperatura aumenta? Explique. RESPOSTA: Quando a temperatura de um sólido aumenta, o seu volume, em geral, também aumenta. Consequentemente, a densidade do sólido diminuirá.

Problemas e Testes – página 67 3. As rolhas de vidro, de frascos também de vidro, costumam ajustar-se ao gargalo, impedindo que o frasco seja aberto. Consegue-se retirar a rolha aquecendo-se apenas o gargalo do recipiente. Explique. RESPOSTA: Ao ser aquecido, o gargalo se dilata, isto é, seu diâmetro interno torna-se maior. Assim, retira-se a rolha com facilidade. 6. Um pino de aço (α = 11 x 10-6 ºC-1) é colocado, com pequena folga, em um orifício existente numa chapa de cobre (α = 17 x 10-6 ºC-1). Tendo em vista os coeficientes de dilatação dos dois materiais, analise as afirmativas seguintes e indique qual delas está errada: a) Aquecendo-se apenas o pino, a folga diminuirá. b) Aquecendo-se apenas a chapa, a folga aumentará. c) Ambos sendo igualmente aquecidos, a folga aumentará. d) Ambos sendo igualmente aquecidos, a folga não irá se alterar. e) Ambos sendo igualmente resfriados, a folga irá diminuir. RESPOSTA: Observe que o coeficiente de dilatação do cobre é maior do que o do aço. Então, o orifício se dilatará mais do que o pino e, assim, a folga aumentará, ao invés de não se alterar.

Exercícios de Fixação - página 111: 5. Considere duas barras, sendo uma de metal e a outra de madeira. Uma das extremidades de cada barra é introduzida em uma fornalha. a) Você conseguiria ficar segurando, por muito tempo, a outra extremidade da barra de metal? Explique. RESPOSTA: Não, pois sendo o metal um bom condutor de calor, a barra metálica se aquece rapidamente em toda sua extensão. b) Por que seria possível segurar a extremidade livre da barra de madeira durante um tempo maior? RESPOSTA: Porque sendo a madeira um material que não conduz bem o calor, a temperatura da extremidade livre não sofrerá uma elevação apreciável. 6. a) Uma pessoa afirma que seu agasalho é de boa qualidade “porque impede que o frio passe através dele”. Esta afirmativa é correta? Explique. RESPOSTA: Não, pois não existe grandeza que as pessoas leigas denominam frio. Como vimos, a sensação de frio é causada por uma perda de calor sofrida por nosso corpo. Assim, o agasalho impede que o calor seja transmitido do corpo da pessoa para o exterior.


b) Um menino descalço, em uma sala ladrilhada, coloca seu pé esquerdo diretamente sobre o ladrilho e seu pé direito sobre um tapete aí existente. O tapete e o ladrilho estão a uma mesma temperatura. Em qual dos dois pés o menino terá maior sensação de frio? Explique. RESPOSTA: Como o ladrilho é melhor condutor de calor do que o tapete, o pé esquerdo do menino perderá calor mais rapidamente do que seu pé direito. Consequentemente, o menino terá maior sensação de frio em seu pé esquerdo (em contato com o ladrilho). 7. a) Por que, em uma geladeira, as camadas de ar próximas ao congelador, após entrarem em contato com ele, dirigem-se para baixo? RESPOSTA: As camadas de ar em contato com o congelador perdem calor para ele. Assim, há uma diminuição na temperatura destas camadas e um consequente aumento em sua densidade. Por este motivo, estas camadas movimentam-se para baixo no interior da geladeira. b) Se o congelador fosse colocado na parte inferior de uma geladeira haveria formação das correntes de convecção? Explique. RESPOSTA: Não, porque o ar de maior densidade (em contato com o congelador) já estaria na parte inferior da geladeira, aí permaneceria e não daria origem, portanto, às correntes de convecção. 8. Lembrando-se dos comentários feitos sobre o mecanismo de resfriamento do interior de uma geladeira, responda: a) Por que as prateleiras de uma geladeira não podem ser feitas com chapas inteiriças? b) Por que se deve evitar encher demasiadamente uma geladeira? RESPOSTA: Como vimos, são as correntes de convecção que mantém uma certa uniformidade na temperatura do interior de uma geladeira. Tanto na questão (a) quanto na questão (b), haveria impedimento para o estabelecimento das correntes de convecção e, assim, a temperatura da parte inferior da geladeira seria mais elevada do que a da parte superior. 9. a) Quando estamos próximos a um forno muito aquecido, a quantidade de calor que recebemos por condução e convecção é relativamente pequena. Entretanto, sentimos que estamos recebendo uma grande quantidade de calor. Por quê? RESPOSTA: Quando estamos próximos a um corpo muito aquecido, a maior parte do calor que recebemos dele é transmitida para nós por radiação. b) Dois automóveis, um claro e outro escuro, permanecem estacionados ao Sol durante um certo tempo. Qual dos dois você acha que se aquecerá mais? Explique. RESPOSTA: A temperatura do carro escuro será mais elevada, porque ele absorve maior quantidade de radiação solar do que o carro claro.

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