Física Aplicada à Farmácia (FIS 07046)
Exercícios – Lista 3
Temperatura, calor, termodinâmica, transferência de calor e mudanças de fase.
1) Analise as afirmações seguintes, definindo se são verdadeiras (V) ou falsas (F). No caso das
afirmações verdadeiras, faça comentários apropriados que dêem suporte à afirmação. No caso
das afirmações falsas, explique por que a afirmação não está correta e reescreva-a de forma
correta.
a. Temperatura é uma medida da energia cinética molecular total em uma substância.
b. Uma xícara de café quente contém mais calor do que a mesma xícara quando o café está
frio.
c. O corpo de uma pessoa dormindo está em equilíbrio térmico com o ambiente em que a
pessoa se encontra.
d. O calor não passa espontaneamente de um corpo mais frio para um corpo mais quente
porque isso violaria o princípio de conservação da energia.
e. A entropia de um sólido cristalino é sempre maior do que a entropia da mesma
substância na fase líquida.
f. É mais fácil aquecer uma certa massa de um material metálico do que a mesma massa de
água porque a condutividade térmica do metal é maior que a da água.
g. A maior parte da radiação solar que atinge a Terra é composta por ondas
eletromagnéticas com frequência na faixa do ultravioleta.
2) Explique o(s) principal(is) mecanismo(s) de transferência de calor envolvidos nas seguintes
situações:
a. Uma xícara de café quente esfria ao ser deixada sobre uma mesa exposta ao ar
atmosférico.
b. Uma pessoa tem sua mão “queimada” ao tocar no cabo de uma panela quente.
c. Uma pessoa é aquecida ao ser exposta durante certo tempo à luz do sol.
d. Um aparelho condicionador de ar é utilizado para manter uma sala a uma temperatura
menor do que a do ambiente exterior.
e. Um termômetro de mercúrio para uso doméstico é utilizado para medir a temperatura
corporal de uma pessoa.
3) [Adaptado de P. G. Hewitt, “Física Conceitual”, Cap. 15] Considere dois copos iguais, um
completamente cheio de água e outro com água pela metade, estando a água em ambos os copos
à mesma temperatura. Responda as questões abaixo, justificando o raciocínio seguido.
a. Em qual copo as moléculas de água estão se movendo de forma mais rápida?
b. Em qual copo há mais energia interna?
c. Para qual copo seria necessário fornecer maior quantidade de calor para aumentar a
temperatura em 1 ºC?
4) [Baseado em “Física para Ciências Biológicas e Biomédicas”, E. Okuno, I. L. Caldas, C. Chow,
Cap. 11] Uma pessoa deseja perder 4,5 kg de gordura fazendo ginástica ou mantendo uma dieta
por certo tempo. Sabe-se que a energia liberada durante a “queima” (reação de oxidação) de
1,0 g de gordura no corpo humano é igual a 9,3 kcal.
a. Estime quanto tempo a pessoa precisa dedicar à ginástica, consumindo 15,0 kcal/min,
para perder os 4,5 kg de gordura.
b. Suponha que em sua alimentação diária a pessoa consuma 2500 kcal/dia, mantendo sua
massa inalterada. Estime durante quanto tempo ela deveria consumir apenas
2000 kcal/dia para perder a mesma quantidade de gordura.
5) [Baseado em “Física para Ciências Biológicas e Biomédicas”, E. Okuno, I. L. Caldas, C. Chow,
Cap. 11] Qual a temperatura final atingida ao se misturar 50 g de água a 70 ºC com 200 g de
água a 20 ºC?
6) [Baseado em “Física para Ciências Biológicas e Biomédicas”, E. Okuno, I. L. Caldas, C. Chow,
Cap. 11] A reação indicada abaixo corresponde à oxidação do etanol:
C2H5OH + 3 O2  2 CO2 + 3 H2O + 327 kcal
Nessa reação, são liberadas 327 kcal para cada mol de etanol. Sabendo que a massa molar do
etanol é de 46,07 g/mol, determine a energia liberada na queima de 1,0 g de etanol.
7) [Baseado em “Física para Ciências Biológicas e Biomédicas”, E. Okuno, I. L. Caldas, C. Chow,
Cap. 11] Uma pessoa seguindo uma dieta típica “perde” um total de 4,9 kcal de energia para
cada litro de oxigênio respirado, devido à queima de carboidratos, gordura, etc. Estime a
variação de energia interna da pessoa ao consumir um volume de 2,5 L de oxigênio na sua
respiração. Explique o sinal da variação da energia interna.
8) [Baseado em “Física para Ciências Biológicas e Biomédicas”, E. Okuno, I. L. Caldas, C. Chow,
Cap. 11] Uma pessoa encontra-se parada e segurando em seus braços um caixote com 10,0 kg de
massa. Responda as questões abaixo, justificando o raciocínio seguido.
a. A pessoa está realizando algum tipo de trabalho?
b. A pessoa está perdendo calor para o ambiente em que ela se encontra?
c. A energia interna da pessoa está variando?
9) Um suplemento alimentar é capaz de fornecer um total de 1000 cal. Determine o trabalho
mecânico que uma pessoa deve realizar durante 1,0 h, em joules (J), para que sua energia interna
não seja alterada após ingestão do suplemento, assumindo que a pessoa perca calor para o
ambiente a uma taxa constante de 200 W (sendo 1 W = 1 J/s).
10) [Baseado em “Física II”, H. D. Young, R. A. Freedman, Cap. 17] A vaporização do suor é um
mecanismo de controle da temperatura de animais de sangue quente. Qual a quantidade de água
que deve evaporar da pele de um homem de 70,0 kg para que a temperatura de seu corpo
diminua de 1,0 ºC? O calor de vaporização da água na temperatura média do corpo humano
(37 ºC) é igual a 2,42 × 106 J/kg e o calor específico do corpo humano é igual a 3480 J/(kg.K).
11) [Baseado em “Física II”, H. D. Young, R. A. Freedman, Cap. 17] Um homem de 70,0 kg cuja
temperatura é igual a 37 ºC consome uma lata de refrigerante com volume igual a 0,355 L
inicialmente à temperatura de 12 ºC. Qual será a temperatura do corpo quando for atingido o
equilíbrio térmico? O calor específico do corpo humano é igual a 3480 J/kg e assuma que o calor
específico do refrigerante seja igual ao da água à temperatura ambiente: 4190 J/(kg.K).
12) [Baseado em “Física II”, H. D. Young, R. A. Freedman, Cap. 17] Na situação descrita no
exercício acima, o metabolismo do homem acabará fazendo com que sua temperatura final de
equilíbrio volte ao valor de 37 ºC. Supondo que o corpo libere energia a uma taxa de
7,0 × 103 kJ/dia, quanto tempo levaria o processo, assumindo que toda energia liberada seja
usada para elevar a temperatura corporal?
13) [Baseado em “Física II”, H. D. Young, R. A. Freedman, Cap. 17] Qual é o calor total necessário
pra converter 12,0 g de gelo a -10 ºC em vapor d’água a 100 ºC? Dados: Calor específico do
gelo: 2100 J/(kg.K). Calor de fusão do gelo (0 ºC): 334 kJ/kg. Calor específico da água:
4190 J/(kg.K). Calor de vaporização da água (100 ºC): 2256 kJ/kg.
14) [Baseado em “Física II”, H. D. Young, R. A. Freedman, Cap. 17] Compare as quantidades de
calor transferido para a pele do corpo humano a 34 ºC quando ela recebe o calor liberado por
25,0 g de vapor d’água ou por 25,0 g de água líquida, ambos inicialmente a 100 ºC,
considerando todo o calor necessário para resfriar o vapor ou a água até temperatura da pele. O
que você pode concluir acerca da “gravidade” de uma queimadura produzida por água quente ou
por vapor d’água?
15) [Baseado em “Física II”, H. D. Young, R. A. Freedman, Cap. 17] Um frasco de vidro contendo
16,0 g de uma amostra de uma enzima inicialmente a 19,5 ºC é resfriado em um banho de água e
gelo mantido a 0 ºC. O calor específico da amostra é igual a 2250 J/(kg.K). O frasco de vidro
possui massa de 6,0 g e calor específico igual a 2800 J/(kg.K). Qual a quantidade de gelo que se
funde no processo? Dado: Calor de fusão do gelo (0 ºC): 334 kJ/kg.
16) [Baseado em “Física II”, H. D. Young, R. A. Freedman, Cap. 17] Um estudante típico assistindo
a uma aula de física atentamente produz calor a uma taxa de 100 W. Qual a quantidade total de
calor produzida por uma turma de 90 alunos ao longo de 50 min de aula? Supondo que todo esse
calor seja transferido para 3200 m3 de ar na sala de aula e que não ocorra nenhuma troca de calor
com o meio externo, qual será o aumento de temperatura do ar na sala? Dados: Densidade do ar
à temperatura ambiente: 1,20 kg/m3. Calor específico do ar à temperatura ambiente:
1020 J/(kg.K).
17) [Baseado em “Física II”, H. D. Young, R. A. Freedman, Cap. 17] Em climas muito frios, um
mecanismo importante de perda de calor pelo corpo humano é a energia gasta para aquecer o ar
nos pulmões a cada respiração. Em um dia de inverno muito frio, quando a temperatura do ar é
igual a -20 ºC, qual é a quantidade de calor necessária para aquecer 0,50 L de ar trocado na
respiração até atingir a temperatura do corpo humano de 37 ºC? Qual a quantidade de calor
perdida por hora considerando uma taxa de 20 respirações por minuto? Dados: Densidade do ar
à temperatura ambiente: 1,20 kg/m3. Calor específico do ar à temperatura ambiente:
1020 J/(kg.K).
18) [Baseado em “Física II”, H. D. Young, R. A. Freedman, Cap. 18] A água sólida (gelo) é
lentamente aquecida a partir de uma temperatura muito baixa. Qual é a pressão mínima que deve
ser aplicada para se observar uma transição de fase de liquefação? Dica: Consulte os dados do
diagrama de pressão-temperatura da água na apresentação utilizada em sala de aula.
19) [Baseado em “Física II”, H. D. Young, R. A. Freedman, Cap. 18] A atmosfera do planeta Marte
é constituída por mais de 95% de dióxido de carbono (CO2) e menos de 0,1% de vapor d’água.
A pressão atmosférica em Marte é de 600 Pa (sendo 1 atm = 1,01× 105 Pa) e a temperatura da
superfície do planeta varia de -30 a -100 ºC. As camadas de gelo polares contêm gelo de CO2 e
de água. Poderia existir CO2 líquido na superfície de Marte? E água líquida? Justifique suas
respostas. Consulte os dados dos diagramas de pressão-temperatura da água e do CO2 na
apresentação utilizada em sala de aula.
20) Um objeto quente, à temperatura inicial T0 = 125 ºC, é deixado em um ambiente em que a
temperatura é constante e dada por Tamb = 25 ºC. O esfriamento do objeto é descrito pela função
abaixo, que descreve a diminuição de temperatura (T) em função do tempo (t), sendo k uma
constante:
T (t )  Tamb  (T0  Tamb )ekt
a. Sabendo que o objeto atinge a temperatura de 100 ºC em 0,50 h, determine o valor da
constante k.
b. Qual será a temperatura do objeto 1,0 h depois do início do esfriamento? E 2,0 h depois?
E 5,0 h depois?
c. Faça um esboço do gráfico da função T(t), indicando alguns valores de temperatura e de
tempo no gráfico.