UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE FÍSICA Disciplina: FISI0142 FÍSICA BÁSICA Professor: Sergio Scarano Jr Terceira Lista de Exercícios Questão 1‐) Uma discussão freqüente e de grande impacto à vida na superfície terrestre é sobre o aquecimento global e a elevação dos níveis dos oceanos. A área total dos oceanos é 3,6x1014 m2 e seu volume é 1,3x1018 m3. Modelos climáticos financiados pela Organização Meteorológica Mundial para o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas indicam que as temperaturas globais podem aumentar de 1,1 ate o
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6,4 C. Sabendo que o coeficiente de dilatação linear da água é 4,3x10 , (a) estime qual será o aumento mínimo do volume dos oceanos devido ao aquecimento global. (b) Supondo que essa variação de volume promova apenas a mudança da altura do nível do mar e não o aumento da superfície dos oceanos (figura ao lado), calcule a altura de elevação dos oceanos. (c) Item extra: o derretimento das geleiras também poderia provocar o aumento do volume dos oceanos. Utilize o princípio de Arquimedes para mostrar que o contínuo derretimento de icebergs promove o aumento do nível dos oceanos, não somente quando eles caem no oceano. Questão 2‐) Um aquário de 1m x 1m x 1m sobre uma balança está cheio de água, no limite de vazar. Nele são adicionados 60 peixes de 0,25 kg, que por suas bexigas natatórias equilibram a força peso e o empuxo. A água vazada 3
é recolhida em outro recipiente (a) Sabendo que a densidade da água é 10 kg/m3, qual é a massa de água no aquário antes de se colocar os peixes. Despreze o peso do aquário. (b) Mostre a partir do princípio de Arquimedes qual será a massa de água deslocadas pelos peixes. (c) Se substituíssemos a mesma massa de peixes por ostras, que tem densidade de 2,6x103 kg/m3 (ou seja, afundam), qual seria a massa registrada na balança? (d) Item extra: para baixar o aquário é usada uma prensa hidráulica com um suporte de diâmetro 1 m de um lado e 0,01 m na outra extremidade. Qual deve ser a força aplicada no lado conveniente da prensa de modo a baixar o aquário cheio de peixes e com toda a água não transbordada a uma velocidade constante? Questão 3‐) Um dos riscos em mergulhos subaquáticos é a descompressão que pode ocorrer quando o mergulhador sobe muito rapidamente a tona depois de submetido a pressões elevadas. O ar usado em tanques de mergulho está em alta pressão e se dissolve no sangue ao ser respirado. Em um mergulho a 30 m a pressão é cerca de 4 atm. Nessa condição uma pequena bolha de nitrogênio no sangue do mergulhador ocuparia um ‐3
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volume de 3,2x10 m . (a) Calcule o volume dessa bolha se o mergulhador subir para superfície rapidamente (ou seja sem tempo para eliminar o nitrogênio). Lembre que a temperatura do mergulhador é sempre a mesma. (b) Qual será o raio dessa bolha na superfície? O infarto de tecidos causado pelo bloqueio da circulação do sangue devido ao surgimento de diversas dessas bolhas pode causar a necrose de tecidos. Considerando que a área típica de um capilar onde o sangue é conduzido é 50,3 m2 e que numa certa posição do capilar são formadas cerca de 2000 pequenas bolhas como essa, verifique se a soma da área associada a essas bolhas é capaz de bloquear a condução do sangue nos capilares. (d) Item extra: Esboce em um mesmo gráfico a pressão em função da profundidade em um lago próximo ao nível do mar comparado e um lago a uma grande altitude, como o Titicaca na Venezuela. (e) Item extra: em que situação é mais arriscado o efeito da descompressão: num mergulho próximo ao nível do mar ou no lago Titicaca? Questão 4‐) Ao trabalharmos com variáveis de estado como pressão, volume, temperatura, número de partículas e a energia dessas partículas, nos deparamos com a interdependência dessas grandezas. Para facilitar a visualização dessas dependências são feitos gráficos juntando essas variáveis duas a duas Nas figuras abaixo temos à esquerda o diagrama de fase, em que se pode ver o comportamento da pressão de um volume constante de água em função da temperatura. Na figura à direita o diagrama PV que revela como um, gás numa combinação apropriada de transformações de temperatura, pressão e volume, pode ter energia para mover uma máquina em um ciclo e produzir um excedente de trabalho dado por . Sabendo disso pede‐se: (a) desenhe no diagrama de fase a curva de mudança de estado da água quando aquecida desde seu estado sólido até o vapor em duas situações: quando em uma panela de pressão e quando numa panela normal em cima de uma montanha. Qual o efeito de cada situação no cozimento dos alimentos? (b) identifique em quais das trajetórias (X, Y, U e V) no diagrama de fase a água passa pelo processo de sublimação. (c) Item extra: esboce o gráfico do calor cedido em função da liquefação para o gelo quando ele está a uma pressão em que ocorre a sublimação. (d) Calcule o trabalho realizado por uma máquina que segue o ciclo esboçado no diagrama PV. (e) Com a energia fornecida pela máquina em forma de trabalho, a que altura seria possível erguer uma massa de 10 kg? U
V P [kPa]
líquido 101,3 (1 atm)
X
sólido
0,6
gás
Y
T [K]
0 0,01 100
P [Pa]
b 200
a
c
100
d 3
V [m ]
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Questão 5‐) Uma discussão freqüente e de V
grande impacto à vida na superfície terrestre é sobre o aquecimento global e a h
elevação dos níveis dos oceanos. A área A
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total dos oceanos é 3,6x10 m e seu volume é 1,3x1018 m3. Modelos climáticos financiados pela Organização Meteorológica Mundial para o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas indicam que as o
temperaturas globais podem aumentar de 1,1 ate 6,4 C. Sabendo que o ‐5
coeficiente de dilatação linear da água é 4,3x10 , (a) estime qual será o aumento mínimo do volume dos oceanos devido ao aquecimento global. (b) Supondo que essa variação de volume promova apenas a mudança da altura do nível do mar e não o aumento da superfície dos oceanos (figura ao lado), calcule a altura de elevação dos oceanos. (c) Item extra: o derretimento das geleiras também poderia provocar o aumento do volume dos oceanos. Utilize o princípio de Arquimedes para mostrar que o contínuo derretimento de icebergs promove o aumento do nível dos oceanos, não somente quando eles caem no oceano. Questão 6‐) Uma lancha com um tanque de gasolina de 25 litros nas condições normais de temperatura e pressão (aproximadamente 20oC e 100 Pa) fica exposto ao Sol, de modo que tanto ele quanto o combustível nele devem contrair ou dilatar conforme a temperatura diminui ou aumenta respectivamente. Durante a manhã, depois de um período sem operar o motor da lancha, o tanque e o combustível contido nele podem atingir 20oC, enquanto que no final da tarde, com o aquecimento do motor e a exposição o
do Sol a temperatura do tanque pode chegar a 50 C. (a) Assumindo que o coeficiente de dilatação linear da gasolina é de 3,2x10‐4 oC‐1 e do ferro que é feito o tanque de gasolina é de 1,2x10‐5 oC‐1 calcule a máxima variação do volume tanto do tanque de combustível quanto da gasolina se considerarmos os extremos de temperatura mencionados. (b) Com base nos resultados calculados identifique se existe um momento ideal no dia para encher o tanque de gasolina? Explique o por quê. (c) Baseado apenas nas variações de volume esperados devido às variações de temperatura, em algum momento poderá haver desperdício de combustível ao abastecer o tanque quente com combustível frio ou o tanque frio com combustível quente? (d) Item extra: qual é o coeficiente de dilatação aparente do sistema tanque de combustível/gasolina. Questão 7‐) (a) Qual é o volume de ar à pressão atmosférica necessário para encher um tanque de ar de mergulho de 14 litros sob uma pressão 1,45x107N/m2? (b) Se ao nível do mar uma pessoa consumir 13,5 litros de ar por minuto, quanto tempo durará o ar contido no tanque acima? (c) Quanto tempo durará o ar contido nesse tanque a uma profundidade de 10m, onde a pressão aumenta de 1 atm. Suponha que o consumo de ar e a temperatura sejam os mesmos que ao nível do mar. (d) Item extra: Esboce em um mesmo gráfico a pressão em função da profundidade em um lago próximo ao nível do mar comparado e um lago a uma grande altitude, como o Titicaca na Venezuela. Fórmulas: g = 10 m/s2; · ; ·
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(módulo ; .
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