Lista de Exercícios
Física II
Prof. Newton
15.29 Perda de calor durante a respiração. Em climas muito frios um mecanismo significativo
para a perda de calor pelo corpo humano é a energia gasta para aquecer o ar nos pulmões em cada
respiração. a) Em um dia de inverno muito frio quando a temperatura é de -20°C, qual é a
quantidade de calor necessária para aquecer 0,50 L de ar trocado na respiração até atingir a
temperatura do corpo humano (37°C)? Suponha que o calor específico do ar seja igual a 1020 J/kg K
e que 1,0 L de ar possua massa igual a 1,3 x 10−3 kg. b) Qual o calor perdido por hora considerando
uma taxa de respiração de 20 aspirações por minuto?
15.30 Durante uma corrida, um estudante de 70 kg gera uma energia térmica com uma taxa de 1200
W. Para manter a temperatura do corpo constante e igual a 37°C, esta energia deve ser removida
pela transpiração ou por outros mecanismos. Caso esses mecanismos falhem e o calor não possa ser
removido do corpo do estudante, durante quanto tempo o estudante poderia correr antes que ocorra
um dano irreversível ao seu corpo? Obs: As estruturas das proteínas no corpo são irreversivelmente
danificadas quando a temperatura do corpo passar de 44°C. O calor específico de um corpo humano
típico é igual a 3480 J/kg K, ligeiramente menor do que o da água. A diferença é produzida pela
presença de proteínas, gorduras e minerais, que possuem calores específicos menores.
15.35 Uma chaleira de alumínio com massa igual a 1,50kg e contendo 1,80kg de água é colocada em
um fogão. Supondo que não haja nenhuma perda de calor para o ambiente, qual é a quantidade de
calor que deve ser adicionada para levar a temperatura de 20,0ºC até 85,0ºC?
15.36 Para se manter acordado em seus estudos durante uma noite inteira, um estudante faz uma
xícara de café colocando inicialmente um aquecedor elétrico de 200 W em 0,320 kg de água. a) Qual
é o calor transferido para a água para elevar sua temperatura de 20,0°C até 80,0°C? b) Quanto tempo
é necessário? Suponha que toda a potência do aquecedor seja transformada em calor para aquecer a
água.
15.37 Um técnico mede o calor específico de um líquido não identificado introduzindo um resistor
elétrico no seio do líquido. A energia elétrica é convertida no calor transferido ao líquido durante
120 s com uma taxa constante igual a 65,0 W. A massa do líquido é igual a 0,780 kg, e sua
temperatura cresce de 18,55 °C até 22,54 °C. a) Calcule o calor específico médio do líquido neste
intervalo de temperatura. Suponha que não haja perda de calor para o ambiente nem para o
recipiente que contém o líquido. b) Suponha agora que o calor transferido ao ambiente e ao
recipiente não seja desprezível. O resultado calculado na parte a) seria uma estimativa superestimada
ou subestimada do calor específico? Explique.
15.40 Uma fôrma de cubos de gelo com massa desprezível contém 0,350 kg de água a 18,0°C. Qual
é a quantidade de calor necessária para esfriar a água até 0,0°C e solidificá-la? Dê uma resposta em
joules e em calorias.
15.41 Qual é o calor total necessário para converter 12,0 g de Gelo a -10,0°C até se transformar em
vapor d'água a 100,0°C? Dê a resposta em joules e em calorias.
15.46 A vaporização do suor é um mecanismo de controle da temperatura de animais de sangue
quente. a) Qual é a quantidade de água que deve se evaporar da pele de um homem de 70,0 kg para
que a temperatura do seu corpo diminua de 1,00°C? O calor de vaporização da água na temperatura
do corpo (37°C) é igual a 2,42 x 106 J/kg. O calor específico típico do corpo humano é igual a 3480
J/kg K. (Veja o Exercício 15.30.) b) Qual é o volume de água que o homem deve beber para repor a
água vaporizada? Compare o resultado com o volume de uma lata de refrigerante (355 cm3).
15.50 Um técnico de laboratório coloca em um calorímetro a amostra de um material desconhecido,
a uma temperatura de 100ºC. O recipiente do calorímetro, inicialmente a 19,0ºC, é feito com 0,150
kg de cobre e contém 0,200 kg de água. A temperatura final do calorímetro é igual a 26,1ºC.
Calcule o calor específico da amostra.
15.58 Uma das extremidades de uma barra metálica isolada é mantida a 0ºC por uma mistura de gelo
e água. A barra possui 60,0 cm de comprimento e uma seção reta com área igual a 1,25 cm2 . O calor
conduzido pela barra produz a fusão de 8,50 g de gelo em 10,0 minutos. Ache a condutividade
térmica k do metal.
15.89 Ar quente em uma aula de física. a) Um estudante típico assistindo a uma aula de física com
atenção produz um calor de 100 W. Qual é a quantidade de calor produzida por uma turma de 90
alunos de física em um anfiteatro ao longo da duração de 50 minutos de aula? b) Suponha que todo o
calor calculado na parte (a) seja transferido para 3200 m3 de ar do anfiteatro. A densidade do ar é
igual a 1,20 kg/m3. Sabendo que não ocorre nenhuma perda de calor e o ar condicionado está
desligado, b) qual é o aumento da temperatura do ar do anfiteatro durante os 50 minutos de aula? c)
Quando os alunos estão fazendo uma prova o calor produzido por aluno aumenta para 280 W, qual
seria o aumento da temperatura do ar do anfiteatro durante 50 minutos neste caso?
15.105 Suponha que a radiação solar incidente por segundo sobre a superfície congelada de um lago
seja igual a 600 W/m2 e 70% desta energia seja absorvida pelo gelo. Quanto tempo seria necessário
para fundir uma camada de gelo com espessura de 2,50 cm? A camada de gelo e a água embaixo
dela estão a uma temperatura de 0 0C.
15.109 Um engenheiro está projetando um aquecedor elétrico para fornecer um fluxo contínuo de
água quente. Um projeto inicial é indicado na Figura 15.24. A água flui com uma taxa de 0,500
kg/min, o termômetro colocado na entrada registra 18°C, o voltímetro indica 120 V e o amperímetro
mede 15,0 A (o que corresponde a uma potência fornecida de (120 V)(15,0 A) = 1800 W). a)
Quando o estado estacionário é atingido, qual é a leitura do termômetro colocado na saída? b) Por
que não é necessário considerar a capacidade calorífica do próprio dispositivo?
15.110 Alimentação de um hamster. A energia liberada pela atividade de um animal denomina-se
taxa de metabolismo basal (BMR), que fornece uma medida da conversão da energia de um alimento
em outras formas de energia. Um calorímetro simples destinado a medir a BMR consiste em uma
caixa isolada com um. termômetro para medir a temperatura do ar. O ar possui densidade igual a
1,20 kg/m3 e calor específico igual a 1020 J/kg K. Um hamster de 50,0 g é colocado em um
calorímetro que contém 0,0500 m3 de ar na temperatura ambiente. a) Quando o hamster corre ao
longo de uma roda, a temperatura do ar no interior do calorímetro aumenta 1,60°C por hora. Qual é a
quantidade de calor produzida em uma hora pelo hamster quando ele está correndo? Suponha que
todo este calor flui para o ar do interior calorímetro. Despreze o calor que flui para as paredes da
caixa para o termômetro e suponha que não haja perda de calor para as vizinhanças do sistema. b)
Suponha que o hamster converta os grãos ingeridos em calor com uma eficiência de 10% e que o
grão ingerido possua um valor alimentício equivalente a 24 J/g. Quantos gramas de grãos o hamster
deve ingerir por hora para fornecer esta energia?
15.116 Uma caminhada ao sol. Considere um pobre viajante perdido no deserto caminhando a 5
km/h em um dia quente, usando somente roupa de banho. A temperatura da pele desta pessoa tende a
aumentar devido a quatro mecanismos: i) a energia é liberada por reações metabólicas do corpo com
uma taxa de 280 W, e essa energia é quase toda convertida em calor que flui para a pele; ii) ocorre
transferência de calor por convecção do ar para a pele com uma taxa dada por h Apele(Tar – Tpele),
onde h é 54 J/h 0C m2, a área da pele exposta é 1,5 m2, e a temperatura do ar é 36 °C; iii) a pele
absorve a energia irradiada pelo sol com uma taxa de 1400 W/m2 iv) a pele absorve a energia
irradiada pelo ambiente, que está a uma temperatura de 47°C. a) Calcule a taxa total (em watts) do
aquecimento da pele produzido por estes quatro mecanismos. Suponha que a emissividade da pele
seja e = 1 e que a temperatura inicial da pele seja igual a 36°C. Qual desses mecanismos é o mais
importante? b) Qual deve ser a taxa (em L/h) de vaporização do suor da pele desta pessoa para
manter a temperatura da pele constante? (O calor de vaporização da água a 36°C é igual a 2,42 x 106
J/kg.) c) Suponha agora que a pessoa esteja protegida por roupa branca (e ~ 0) de modo que a área
da pele exposta seja reduzida para 0,45 m2. Qual é agora a taxa de transpiração necessária? Discuta a
utilidade das roupas tradicionalmente usadas por habitantes de desertos.
17.1 Dois moles de um gás ideal são aquecidos à pressão constante de T = 300 K até 380 K. a)
Desenhe um diagrama pV para este processo. b) Calcule o trabalho realizado pelo gás.
17.2 Três moles de um gás ideal possuem uma temperatura inicial igual a 127,0°C. Enquanto a
temperatura é mantida constante, o volume aumenta até que a pressão caia até um valor igual a 40%
do seu valor inicial. a) Desenhe um diagrama pV para este processo. b) Calcule o trabalho realizado
pelo gás.
17.4 Um gás sob pressão constante de 1,50 x 105 Pa e com volume inicial igual a 0,0900 m3 é
resfriado até que seu volume fique igual a 0,0600 m3. a) Desenhe um diagrama pV para este
processo. b) Calcule o trabalho realizado pelo gás.
17.7 Em um certo processo químico, um técnico de laboratório fornece 254 J de calor a um sistema.
Simultaneamente, 73 J de trabalho são realizados pelas vizinhanças sobre o sistema. Qual é o
aumento da energia interna do sistema?
17.8 Um gás no interior de um cilindro se expande de um volume igual a 0,110 m3 até um volume
igual a 0,320 m3. O calor flui para dentro do sistema com uma taxa suficiente para manter a pressão
constante e igual a 1,80 x 105 Pa durante a expansão. O calor total fornecido ao sistema é igual a
1,15 x 105 J. a) Calcule o trabalho realizado pelo gás. b) Ache a variação da energia interna do gás.
c) O resultado depende ou não do gás ser ideal? Justifique sua resposta.
17.11 Sonhos: desjejum dos campeões! Um sonho típico contém 2,0 g de proteína, 17,0 g de
carboidratos e 7,0 g d gordura. Os valores médios de energia alimentícia destas substâncias são 4,0
kcal/g para a proteína e os carboidratos e 9,0 kcal/g para a gordura. a) Durante um exercício pesado,
uma pessoa média gasta energia com uma taxa de 510 kcal/h. Durante quanto tempo você faria
exercício com o trabalho obtido por um sonho? b) Caso a energia contida em um sonho pudesse de
algum modo ser convertida em energia cinética do seu corpo como um todo, qual seria sua
velocidade máxima depois de comer um sonho? Considere sua massa igual a 60 kg e expresse a
resposta em m/s e km/h.
17.16 Ebulição da água sob pressão elevada. Quando a água entra em ebulição sob pressão de 2,00
atm, o calor de vaporização é igual a 2,20 x 106 J/kg e o ponto de ebulição é igual a 120°C. Para esta
pressão, l,00 kg de água possui volume igual a l,00 x 103 m3, e 1,00 kg de vapor d'água possui
volume igual a 0,824 m3. a) Calcule o trabalho realizado quando se forma 1,00 kg de vapor d'água
nesta temperatura. b) Calcule a variação da energia interna da água.
17.22 Um cilindro contém 0,250 mol do gás dióxido de carbono (CO2) à temperatura de 27,0°C. O
cilindro possui um pistão sem atrito, que mantém sobre o gás numa pressão constante igual a 1 ,00
atm. O gás é aquecido e sua temperatura aumenta para 127,0°C. Suponha que o CO2 possa ser
considerado um gás ideal. a) Desenhe um diagrama pV para este processo. b) Qual é o trabalho
realizado pelo gás neste processo? c) Sobre o que este trabalho é realizado? d) Qual é a variação da
energia interna do gás? e) Qual é o calor fornecido ao gás? f) Qual seria o trabalho realizado se a
pressão fosse igual a 0,50 atm?
17.31 Quando um sistema vai do estado a até o estado b (Figura 17.22) ao longo do caminho acb,
um calor igual a 90,0 J flui para o interior do sistema e um trabalho de 60,0 J é realizado pelo
sistema. a) Qual é o calor que flui para o interior do sistema ao longo do caminho adb, sabendo que
o trabalho realizado pelo sistema é igual a 15,0 J? b) Quando o sistema retorna de b para a ao longo
do caminho encurvado, o valor absoluto do trabalho realizado pelo sistema é igual a 35,0 J. O
sistema absorve ou liberta calor? Qual é o valor deste calor? c) Sabendo que Ua = 0 e Ud = 8,0 J,
calcule os calores absorvidos nos processos ad e db.