14
PARTE I – TERMOLOGIA
Tópico 2
1 Analise as proposições e indique a falsa.
a) O somatório de toda a energia de agitação das partículas de um
corpo é a energia térmica desse corpo.
b) Dois corpos atingem o equilíbrio térmico quando suas temperaturas se tornam iguais.
c) A energia térmica de um corpo é função da sua temperatura.
d) Somente podemos chamar de calor a energia térmica em trânsito;
assim, não podemos afirmar que um corpo contém calor.
e) A quantidade de calor que um corpo contém depende de sua temperatura e do número de partículas nele existentes.
Resolução:
Calor é energia térmica em trânsito. Um corpo sempre tem energia térmica, mas possui calor somente quando essa energia está em trânsito.
Assim, um corpo tem energia térmica, mas não tem calor.
Resposta: e
2
Imagine dois corpos A e B com temperaturas TA e TB, sendo
TA > TB. Quando colocamos esses corpos em contato térmico, podemos
afirmar que ocorre o seguinte fato:
a) Os corpos se repelem.
b) O calor flui do corpo A para o corpo B por tempo indeterminado.
c) O calor flui do corpo B para o corpo A por tempo indeterminado.
d) O calor flui de A para B até que ambos atinjam a mesma temperatura.
e) Não acontece nada.
Resolução:
A energia térmica flui espontaneamente do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura até que esses corpos atinjam o equilíbrio térmico, isto é, até que as temperaturas atinjam o mesmo valor.
Resposta: d
III) Correta.
O que fazia o calor fluir de um corpo para outro era a diferença de
temperaturas existente entre eles.
Resposta: d
4
Analise as proposições e indique a verdadeira.
a) Calor e energia térmica são a mesma coisa, podendo sempre ser
usados tanto um termo como o outro, indiferentemente.
b) Dois corpos estão em equilíbrio térmico quando possuem quantidades iguais de energia térmica.
c) O calor sempre flui da região de menor temperatura para a de maior
temperatura.
d) Calor é energia térmica em trânsito, fluindo espontaneamente da
região de maior temperatura para a de menor temperatura.
e) Um corpo somente possui temperatura maior que a de um outro
quando sua quantidade de energia térmica também é maior que a
do outro.
Resolução:
Calor é a denominação que damos à energia térmica enquanto ela
está transitando entre dois locais de temperaturas diferentes. O sentido espontâneo é do local de maior temperatura para o local de menor
temperatura.
Resposta: d
5 (Unirio-RJ) Indique a proposição correta.
a) Todo calor é medido pela temperatura, isto é, calor e temperatura
são a mesma grandeza.
b) Calor é uma forma de energia em trânsito e temperatura mede o
grau de agitação das moléculas de um sistema.
c) O calor nunca é função da temperatura.
d) O calor só é função da temperatura quando o sistema sofre mudança em seu estado físico.
e) A temperatura é a grandeza cuja unidade fornece a quantidade de
calor de um sistema.
3
No café-da-manhã, uma colher metálica é colocada no interior
de uma caneca que contém leite bem quente. A respeito desse acontecimento, são feitas três afirmativas.
I. Após atingirem o equilíbrio térmico, a colher e o leite estão a uma
mesma temperatura.
II. Após o equilíbrio térmico, a colher e o leite passam a conter quantidades iguais de energia térmica.
III. Após o equilíbrio térmico, cessa o fluxo de calor que existia do leite
(mais quente) para a colher (mais fria).
Podemos afirmar que:
a) somente a afirmativa I é correta;
b) somente a afirmativa II é correta;
c) somente a afirmativa III é correta;
d) as afirmativas I e III são corretas;
e) as afirmativas II e III são corretas.
Resolução:
I) Correta.
No equilíbrio térmico, as temperaturas dos corpos são iguais.
II) Incorreta.
A quantidade de energia térmica de um corpo depende de sua
temperatura e do número de partículas que possui. Assim, mesmo
as temperaturas do leite e da colher sendo iguais, seu número de
partículas pode não ser o mesmo.
Resolução:
Calor é energia térmica em trânsito e temperatura determina o grau de
agitação das partículas de um sistema.
Resposta: b
6 (Enem) A sensação de frio que nós sentimos resulta:
a) do fato de nosso corpo precisar receber calor do meio exterior para
não sentirmos frio.
b) da perda de calor do nosso corpo para a atmosfera que está a uma
temperatura maior.
c) da perda de calor do nosso corpo para a atmosfera que está a uma
temperatura menor.
d) do fato de a friagem que vem da atmosfera afetar o nosso corpo.
e) da transferência de calor da atmosfera para o nosso corpo.
Resolução:
Quanto mais rápido perdemos energia térmica, maior é a nossa sensação de frio. Essa rapidez é função da diferença de temperatura entre o
nosso corpo e a atmosfera do meio onde nos encontramos.
Resposta: c
Tópico 2 – O calor e sua propagação
7 Você sabe que o aprendizado da Física também se faz por meio
da observação das situações que ocorrem no nosso dia-a-dia. Faça um
experimento. Caminhe descalço sobre um carpete ou um tapete e sobre um piso cerâmico, como o do banheiro da sua casa, por exemplo.
Você vai notar que o piso cerâmico parece mais frio do que o tapete,
apesar de estarem à mesma temperatura. Essa diferença de sensação
se deve ao fato de:
a) a capacidade térmica do piso cerâmico ser menor que a do tapete;
b) a temperatura do piso cerâmico ser menor que a do tapete;
c) a temperatura do tapete ser menor que a do piso cerâmico;
d) a condutividade térmica do piso cerâmico ser maior que a do tapete;
e) a condutividade térmica do piso cerâmico ser menor que a do
tapete.
Resolução:
A sensação de frio é devida à perda de energia térmica através da pele
da planta do nosso pé. O tapete é um mau condutor de calor e o piso
cerâmico é condutor. Assim, a energia térmica flui mais rapidamente
da nossa pele quando estamos em contato com o piso cerâmico.
Resposta: d
8 Numa noite muito fria, você ficou na sala assistindo à televisão.
Após algum tempo, foi para a cama e deitou-se debaixo das cobertas
(lençol, cobertor e edredom). Você nota que a cama está muito fria,
apesar das cobertas, e só depois de algum tempo o local se torna
aquecido.
15
9 (Ufes) Para resfriar um líquido, é comum colocar a vasilha que
o contém dentro de um recipiente com gelo, conforme a figura. Para
que o resfriamento seja mais rápido, é conveniente que a vasilha seja
metálica, em vez de ser de vidro, porque o metal apresenta, em relação
ao vidro, um maior valor de:
Líquido
a) condutividade térmica.
b) calor específico.
c) coeficiente de dilatação térmica.
d) energia interna.
Gelo
e) calor latente de fusão.
Resolução:
O metal tem maior coeficiente de condutividade térmica do que o vidro. O metal é bom condutor de calor e vidro é péssimo.
Resposta: a
10 Uma garrafa e uma lata de refrigerante permanecem durante vários dias em uma geladeira. Quando pegamos a garrafa e a lata com as
mãos desprotegidas para retirá-las da geladeira, temos a impressão de
que a lata está mais fria do que a garrafa. Isso é explicado pelo fato de:
a) a temperatura do refrigerante na lata ser diferente da temperatura
do refrigerante na garrafa;
b) a capacidade térmica do refrigerante na lata ser diferente da capacidade térmica do refrigerante na garrafa;
c) o calor específico dos dois recipientes ser diferente;
d) o coeficiente de dilatação térmica dos dois recipientes ser diferente;
e) a condutividade térmica dos dois recipientes ser diferente.
Resolução:
O metal da lata tem condutividade térmica maior do que o vidro da
garrafa. Assim, ao tocarmos ambos, perderemos calor mais rapidamente para a lata. Por isso ela parecerá mais fria do que a garrafa.
Resposta: e
Isso ocorre porque:
a) o cobertor e o edredom impedem a entrada do frio que se encontra
no meio externo;
b) o cobertor e o edredom possuem alta condutividade térmica;
c) o cobertor e o edredom possuem calor entre suas fibras, que, ao ser
liberado, aquece a cama;
d) o cobertor e o edredom não são aquecedores, são isolantes térmicos, que não deixam o calor liberado por seu corpo sair para o meio
externo;
e) sendo o corpo humano um bom absorvedor de frio, após algum
tempo não há mais frio debaixo das cobertas.
Resolução:
O cobertor e o edredom não são aquecedores, são isolantes térmicos
que não deixam o calor liberado por nosso corpo sair para o meio externo, deixando-nos aquecidos.
Resposta: d
11 (UFSC) Identifique a(s) proposição(ões) verdadeira(s):
(01) Um balde de isopor mantém o refrigerante gelado porque impede a saída do frio.
(02) A temperatura de uma escova de dentes é maior que a temperatura da água da pia; mergulhando-se a escova na água, ocorrerá
uma transferência de calor da escova para a água.
(04) Se tivermos a sensação de frio ao tocar um objeto com a mão, isso
significa que esse objeto está a uma temperatura inferior à nossa.
(08) Um copo de refrigerante gelado, pousado sobre uma mesa, num
típico dia de verão, recebe calor do meio ambiente até ser atingido o equilíbrio térmico.
(16) O agasalho, que usamos em dias frios para nos mantermos aquecidos, é um bom condutor de calor.
(32) Os esquimós, para se proteger do frio intenso, constroem abrigos
de gelo porque o gelo é um isolante térmico.
Dê como resposta a soma dos números associados às proposições
corretas.
Resolução:
(01) Falsa – O isopor impede que o calor proveniente do meio ambiente atinja o refrigerante.
(02) Verdadeira – A transferência espontânea de calor se processa
do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.
(04) Verdadeira – A sensação de frio é determinada pela perda de
energia térmica do nosso corpo para o objeto ou meio com o
qual entra em contato.
16
PARTE I – TERMOLOGIA
(08) Verdadeira – A energia térmica do ambiente será recebida pelo
refrigerante gelado, aquecendo-o até o equilíbrio térmico.
(16) Falsa – Os agasalhos são confeccionados com materiais que são
péssimos condutores de calor; eles são, na verdade, bons isolantes térmicos.
(32) Verdadeira – O gelo é um bom isolante térmico, pois possui baixa condutividade térmica.
do a intensidade da corrente térmica constante ao longo da barra,
determine a temperatura registrada no termômetro, sabendo que
ele se encontra a 32 cm do dispositivo A. Dado: coef iciente de condutibilidade térmica do chumbo = 8,2 · 10–2 · cal2 cm
cm °C s
Cortiça
Resposta: 46
12 E.R. Uma barra de alumínio de 50 cm de comprimento e área
de seção transversal de 5 cm2 tem uma de suas extremidades em contato térmico com uma câmara de vapor de água em ebulição (100 °C).
A outra extremidade está imersa em uma cuba que contém uma mistura bifásica de gelo fundente (0 °C):
Lã de vidro
A
B
Resolução:
O fluxo de calor através da barra é constante, assim os fluxos através
das partes anterior e posterior ao termômetro são iguais:
φ1 = φ2 ⇒
k A Δθ1
k A Δθ2
(212 – θ) (θ – 32)
=
⇒
=
L1
L2
8
32
4(θ – 32) = (212 – θ) ⇒ 4θ – 128 = 212 – θ ⇒ 5θ = 340 ⇒
A pressão atmosférica local é normal. Sabendo que o coeficiente de
condutibilidade térmica do alumínio vale 0,5 cal/s cm °C, calcule:
a) a intensidade da corrente térmica através da barra, depois de estabelecido o regime permanente;
b) a temperatura numa seção transversal da barra, situada a 40 cm
da extremidade mais quente.
Resolução:
a) No regime permanente, a corrente térmica é calculada pela Lei de
Fourier:
φ = k AΔθ
ᐉ
Do enunciado, temos que:
k = 0,5 cal/s cm °C
A = 5 cm2
Δθ = 100 °C – 0 °C = 100 °C
ᐉ = 50 cm
Substituindo esses valores na expressão anterior, vem:
φ = 0,5 · 5 · 100 ⇒
50
φ = 5 cal/s
b) Sabemos que, no regime permanente ou estacionário, a intensidade da corrente térmica através da barra é constante; assim,
temos:
40 cm
10 cm
100 ºC
0 °C
θ=?
0,5 · 5 · (100– ␪)
φ = kA (100 – ␪) ⇒ 5 =
⇒
40
40
Resposta: 68 °F
14 (Mack-SP) Para determinarmos o fluxo de calor por condução
através de uma placa homogênea e de espessura constante, em reA(θ1 – θ2)
gime estacionário, utilizamos a Lei de Fourier φ = k
.
e
A constante de proporcionalidade que aparece nessa lei matemática
depende da natureza do material e se denomina Coeficiente de Condutibilidade Térmica. Trabalhando com as unidades do SI, temos, para o
alumínio, por exemplo, um coeficiente de condutibilidade térmica igual
a 2,09 · 102. Se desejarmos expressar essa constante, referente ao alumínio, com sua respectiva unidade de medida, teremos:
a) 2,09 · 102 cal/s
b) 2,09 · 102 cal/s cm °C
c) 2,09 · 102 J/s
d) 2,09 · 102 J/s m K
e) 2,09 · 102 J/K
Resolução:
No SI, a unidade de fluxo de calor é dado por:
[Q] J
=
[φ] =
[Δt] s
Assim, na lei de Fourier, temos:
J = [k] m2 K (ou °C)
s
m
Portanto:
[k] =
␪ = 20 °C
θ = 68 °F
J
m s K
Resposta: d
13 (Unama-AM) A f igura a seguir apresenta uma barra de chumbo de comprimento 40 cm e área de seção transversal 10 cm2 isolada com cortiça; um termômetro f ixo na barra calibrado na escala
Fahrenheit, e dois dispositivos A e B que proporcionam, nas extremidades da barra, as temperaturas correspondentes aos pontos do
vapor e do gelo, sob pressão normal, respectivamente. Consideran-
15 Na figura a seguir, você observa uma placa de alumínio que foi
utilizada para separar o interior de um forno, cuja temperatura mantinha-se estável a 220 °C, e o meio ambiente (20 °C).
Após atingido o regime estacionário, qual a intensidade da corrente
térmica através dessa chapa metálica?
Tópico 2 – O calor e sua propagação
Suponha que o fluxo ocorra através da face de área maior.
Dado: coeficiente de condutibilidade térmica do
alumínio = 0,50 cal/s cm °C
17
Substituindo os valores conhecidos, temos:
0,20θ1 = 1,0(100 – θ2) (I)
0,20θ1 = 0,50(θ2 – θ1) (II)
De (II), temos:
1,5 m
0,20θ1 = 0,50θ2 – 0,50θ1
0,70θ1 = 0,50θ2 ⇒ θ2 = 0,70 θ1
0,50
θ2 = 1,4θ1 (III)
Substituindo (III) em (I), temos:
0,20θ1 = 100 – 1,4θ1 ⇒ 1,6θ1 = 100
0,50 m
2,0 m
Resolução:
Usando-se a Lei de Fourier, temos:
φ = K A Δθ
艎
Assim:
φ = 0,50 · (150 · 200) · (220 – 20)
50
θ1 = 62,5 °C
Voltando em (III), resulta:
θ2 = 1,4(62,5) ⇒
φ = 6,0 · 104 cal/s
Resposta: 6,0 · 104 cal/s
16 E.R. Três barras cilíndricas idênticas em comprimento e sec-
ção são ligadas formando uma única barra, cujas extremidades são
mantidas a 0 °C e 100 °C. A partir da extremidade mais fria, as condutibilidades térmicas dos materiais das barras valem:
kcal m
(0,20), (0,50) e (1,0)
h m2 °C
Supondo que em volta das barras exista um isolamento de vidro e
desprezando quaisquer perdas de calor, calcule a temperatura nas
junções onde uma barra é ligada à outra.
θ2 = 87,5 °C
17 Uma barra de alumínio de 50 cm de comprimento e área de
secção transversal 5 cm2 tem uma de suas extremidades em contato
térmico com uma câmara de vapor de água em ebulição.
A outra extremidade da barra está imersa em uma cuba que contém
uma mistura bifásica de gelo e água em equilíbrio térmico. A pressão
atmosférica é normal. Sabe-se que o coef iciente de condutibilidade
térmica do alumínio vale 0,5 cal cm/s cm2 °C.
Gelo e água
Lã de vidro
Vapor
Vapor
Resolução:
100 °C
ᐉ
ᐉ
C
B
θ2 = ?
kA = 0,20
kcal m
h m2 °C
kB = 0,50
0 °C
ᐉ
Resolução:
No regime estacionário, temos:
k A Δθ1
k A Δθ2
(100 – θ) (θ – 0)
φ1 = φ2 ⇒
=
⇒
=
L1
L2
40
10
A
θ1 = ?
kcal m
h m2 °C
Qual a temperatura da secção transversal da barra, situada a 40 cm da
extremidade mais fria?
θ = 4(100 – θ) ⇒ θ = 400 – 4θ ⇒ 5θ = 400 ⇒
kC = 1,0
kcal m
h m2 °C
No regime permanente, o fluxo de calor através das barras será o
mesmo e permanecerá constante; portanto, podemos escrever:
A (θ – θ )
A (θ – 0)
A (100 – θ2)
φ = kA A 1
= kB B 2 1 = kC C
ᐉB
ᐉA
ᐉC
Mas AA = AB = AC e ᐉA = ᐉB = ᐉC.
Resposta: 80 °C
18 Uma barra metálica é aquecida conforme a figura; A, B e C são
termômetros. Admita a condução de calor em regime estacionário e
no sentido longitudinal da barra. Quando os termômetros das extremidades indicarem 200 °C e 80°C, o intermediário indicará:
A
C
B
Logo:
kA(θ1 – 0) = kB(θ2 – θ1) = kC(100 – θ2)
30 cm
Desmembrando, temos:
80 cm
kA(θ1 – 0) = kC(100 – θ2)
kA(θ1 – 0) = kB(θ2 – θ1)
θ = 80 °C
a) 195 °C.
b) 175 °C.
c) 140 °C.
d) 125 °C.
e) 100 °C.
18
PARTE I – TERMOLOGIA
Resolução:
No regime estacionário, temos:
φAC = φCB ⇒
k A (θA – θC)
k A (θC – θB)
=
80 – 30
30
(200 – θC) (θC – 80)
=
50
30
5θC – 400 = 600 – 3θC ⇒ 8θC = 1 000 ⇒
θC = 125 °C
Resposta: d
Resolução:
I – Convecção
As grades vazadas facilitam a subida do ar quente até o congelador
e a descida do ar frio até os alimentos que devem ser resfriados.
II – Radiação
Na radiação, a energia térmica se propaga em ondas eletromagnéticas, principalmente em forma de radiações infravermelhas.
III – Condução
Na condução, a energia térmica passa de uma partícula para outra
do meio. Assim, é imprescindível que exista em meio material para
que ela ocorra.
Resposta: e
19 A condutividade térmica do cobre é aproximadamente quatro
vezes maior que a do latão. Duas placas, uma de cobre e outra de latão,
com 100 cm2 de área e 2,0 cm de espessura, são justapostas como ilustra a figura dada abaixo.
Considerando-se que as faces externas do conjunto sejam mantidas
a 0 °C e 100 °C, qual será a temperatura na interface da separação das
placas quando for atingido o regime estacionário?
0 °C
100 °C
100 cm2
Latão
Cobre
2 cm
2 cm
Resolução:
No regime estacionário, temos:
φ1 = φ2
k1 A (100 – θ)
k2 A (θ – 0)
=
2
2
4(100 – θ) = θ ⇒ 400 – 40 = θ ⇒ 400 = 5θ
θ = 80 °C
Resposta: 80 °C
20 Em cada uma das situações descritas a seguir você deve reconhecer o processo de transmissão de calor envolvido: condução, convecção ou radiação.
I. As prateleiras de uma geladeira doméstica são grades vazadas para
facilitar a ida da energia térmica até o congelador por (...).
II. O único processo de transmissão de calor que pode ocorrer no vácuo é a (...).
III. Numa garrafa térmica, é mantido vácuo entre as paredes duplas de
vidro para evitar que o calor saia ou entre por (...).
Na ordem, os processos de transmissão de calor que você usou para
preencher as lacunas são:
a) condução, convecção e radiação;
b) radiação, condução e convecção;
c) condução, radiação e convecção;
d) convecção, condução e radiação;
e) convecção, radiação e condução.
21 Usando o seus conhecimentos de transmissão de calor, analise
as proposições e indique a que você acha correta.
a) A condução térmica é a propagação do calor de uma região para
outra com deslocamento do material aquecido.
b) A convecção térmica é a propagação de calor que pode ocorrer em
qualquer meio, inclusive no vácuo.
c) A radiação térmica é a propagação de energia por meio de ondas
eletromagnéticas e ocorre exclusivamente nos fluidos.
d) A transmissão do calor, qualquer que seja o processo, sempre ocorre, naturalmente, de um ambiente de maior temperatura para outro de menor temperatura.
e) As correntes ascendentes e descendentes na convecção térmica de
um fluido são motivadas pela igualdade de suas densidades.
Resolução:
O fluxo espontâneo da energia térmica se processa de um local de
maior temperatura para outro de menor temperatura.
Resposta: d
22 (Unicentro) Analise as afirmações dadas a seguir e dê como resposta o somatório correspondente às corretas.
(01) As três formas de propagação do calor são: condução, convecção
e radiação.
(02) A radiação se processa apenas no vácuo.
(04) A condução precisa de um meio material para se processar.
(08) A convecção ocorre apenas no vácuo.
(16) A convecção ocorre também no vácuo.
Resolução:
(01) Correta.
(02) Incorreta.
A radiação ocorre no vácuo e em meios materiais transparentes a essas
ondas.
(04) Correta.
(08) Incorreta.
(16) Incorreta.
Resposta: 05
23 (Ufes) Ao colocar a mão sob um ferro elétrico quente, sem to-
car na sua superfície, sentimos a mão “queimar”. Isso ocorre porque
a transmissão de calor entre o ferro elétrico e a mão se deu principalmente através de:
a) radiação.
d) condução e convecção.
b) condução.
e) convecção e radiação.
c) convecção.
Tópico 2 – O calor e sua propagação
Resolução:
Essa energia térmica propaga-se até a mão, principalmente em forma
de ondas eletromagnéticas. Assim, o processo pelo qual ocorreu a
transmissão de calor é a radiação.
19
Resolução:
Durante o dia, a brisa sopra do mar para a terra. Durante a noite, a brisa
sopra da terra para o mar.
Resposta: c
Resposta: a
24 (UFRN) Matilde é uma estudante de Arquitetura que vai fazer
o seu primeiro projeto: um prédio a ser construído em Natal (RN). Ela
precisa prever a localização de um aparelho de ar-condicionado para
uma sala e, por ter estudado pouco Termodinâmica, está em dúvida se
deve colocar o aparelho próximo do teto ou do piso.
Ajude Matilde, dando-lhe uma sugestão sobre a escolha que ela deve
fazer nesse caso. (Justifique a sua sugestão.)
27 (UFV-MG) Um resistor R é colocado dentro de um recipiente de
parede metálica – no qual é feito vácuo – que possui um termômetro
incrustado em sua parede externa. Para ligar o resistor a uma fonte externa ao recipiente, foi utilizado um fio, com isolamento térmico, que
impede a transferência de calor para as paredes do recipiente. Essa situação encontra-se ilustrada na figura abaixo.
Termômetro
Resolução:
Matilde deve colocar o aparelho de ar-condicionado na parede, próximo ao teto. O ar frio lançado pelo aparelho na sala deve descer e o ar
quente, que está embaixo, subir.
Vácuo
R
Resposta: Na parte superior da parede.
25 (UFBA) O vidro espelhado e o vácuo existente entre as paredes
de uma garrafa térmica ajudam a conservar a temperatura da substância colocada no seu interior.
Isso ocorre porque:
(01) a radiação térmica não se propaga no vácuo.
(02) o vidro é um bom isolante térmico.
(04) as paredes espelhadas minimizam a perda de energia por condução.
(08) o vácuo entre as paredes evita que haja propagação de calor por
condução e por convecção.
(16) a radiação térmica sofre reflexão total na interface da substância
com o vidro espelhado.
(32) fechando bem a garrafa, não haverá trocas de calor com o meio
externo através da convecção.
Dê como resposta o somatório dos números correspondentes às
afirmativas corretas.
Resolução:
(01) Incorreta.
(02) Correta.
(04) Incorreta – Superfícies espelhadas minimizam a perda de energia térmica por radiação. As paredes espelhadas refletem ondas
eletromagnéticas.
(08) Incorreta – O vácuo apenas impede a condução. Para que haja
perdas de calor por convecção, é necessário que o sistema troque partículas com o meio externo.
(16) Correta.
(32) Correta.
Resposta: 50
26 Na praia, você já deve ter notado que, durante o dia, a areia esquenta mais rápido que a água do mar e, durante a noite, a areia esfria
mais rápido que a água do mar. Isso ocorre porque o calor específico
da água é maior que o da areia (a água precisa receber mais calor, por
unidade de massa, para sofrer o mesmo aquecimento da areia). Esse
fato explica a existência da brisa:
a) do mar para a praia, à noite;
d) sempre do mar para a praia;
b) da praia para o mar, durante o dia; e) sempre da praia para o mar.
c) do mar para a praia, durante o dia;
Metal
+
–
Ligando o resistor, nota-se que a temperatura indicada pelo termômetro aumenta, mostrando que há transferência de calor entre o resistor e
o termômetro. Pode-se afirmar que os processos responsáveis por essa
transferência de calor, na ordem correta, são:
a) primeiro convecção e depois radiação.
b) primeiro convecção e depois condução.
c) primeiro radiação e depois convecção.
d) primeiro radiação e depois condução.
e) primeiro condução e depois convecção.
Resolução:
Na região de vácuo, a energia térmica propaga-se por radiação. Através do metal (meio sólido), o calor propaga-se por condução.
Resposta: d
28 (UFMG) Atualmente, a energia solar está sendo muito utilizada
em sistemas de aquecimento de água.
Nesses sistemas, a água circula entre um reservatório e um coletor de
energia solar. Para o perfeito funcionamento desses sistemas, o reservatório deve estar em um nível superior ao do coletor, como mostrado
nesta figura:
Reservatório
Coletor de energia solar
No coletor, a água circula através de dois canos horizontais ligados
por vários canos verticais. A água fria sai do reservatório, entra no
coletor, onde é aquecida, e retorna ao reservatório por convecção.
Nas quatro alternativas, estão representadas algumas formas de se
conectar o reservatório ao coletor. As setas indicam o sentido de circulação da água.
20
PARTE I – TERMOLOGIA
Indique a alternativa em que estão corretamente representados o
sentido da circulação da água e a forma mais eficiente para se aquecer
toda a água do reservatório.
Reservatório
a)
Reservatório
c)
da, mantinha vácuo entre elas. Para retardar ainda mais a alteração de
temperatura no interior da garrafa, ele espelhou as paredes, tanto nas
faces externas como nas faces internas. Dewar nunca patenteou sua
invenção, que considerava um presente à Ciência. Coube ao alemão
Reinhold Burger, um fabricante de vidros, diminuir o seu tamanho, lançando-a no mercado em 1903.
Tampa
Vácuo
b)
Reservatório
Parede dupla
de vidro espelhado
Coletor
Coletor
d)
Reservatório
Líquido em
temperatura
diferente da do
meio externo
Coletor
Coletor
Resolução:
A água quente sobe (é menos densa) e a água fria desce (é mais densa).
A convecção ocorre devido ao campo gravitacional da Terra.
Resposta: d
29 Na cidade de São Paulo, em dias de muito frio é possível observar o fenômeno conhecido como inversão térmica, que provoca um
aumento considerável nos índices de poluição do ar (tem-se a impressão de que os gases poluentes não conseguem subir para se dispersar). Nos dias quentes ocorre o oposto, os gases poluentes sobem e são
dispersados pelas correntes de ar. Esse processo de movimentação de
massas gasosas, a temperaturas diferentes, ocorre devido à:
a) elevação da pressão atmosférica.
d) condução térmica.
b) convecção térmica.
e) criogenia
c) radiação térmica.
Resolução:
Nos dias quentes, o ar que se encontra próximo ao solo é mais quente
que o ar de camadas superiores. Assim, ocorre a convecção térmica.
Nos dias frios, o ar próximo ao solo pode estar a temperaturas menores
do que o ar das camadas superiores. Assim, não ocorre convecção térmica, não dispersando os poluentes.
Resposta: b
30 Ao contrário do que se pensa, a garrafa térmica não foi criada
originalmente para manter o café quente. Esse recipiente foi inventado
pelo físico e químico inglês James Dewar (1842–1923) para conservar
substâncias biológicas em bom estado, mantendo-as a temperaturas
estáveis. Usando a observação do físico italiano Evangelista Torricelli
(1608–1647), que descobriu ser o vácuo um bom isolante térmico,
Dewar criou uma garrafa de paredes duplas de vidro que, ao ser lacra-
A respeito do texto acima, indique a alternativa correta.
a) Na garrafa térmica, o vácuo existente entre as paredes duplas de
vidro tem a finalidade de evitar trocas de calor por convecção.
b) As paredes espelhadas devem evitar que as ondas de calor saiam
ou entrem por condução.
c) Apesar de o texto não se referir ao fato de que a garrafa deve permanecer bem fechada, isso deve ocorrer para evitar perdas de calor
por convecção.
d) O vácuo existente no interior das paredes duplas de vidro vai evitar
perdas de calor por radiação.
e) As paredes espelhadas não têm função nas trocas de calor; foram
apenas uma tentativa de tornar o produto mais agradável às pessoas que pretendessem comprá-lo.
Resolução:
a) Incorreta. O vácuo tem a finalidade de impedir a transferência de
calor por condução.
b) Incorreta. As paredes espelhadas refletem as radiações eletromagnéticas (principalmente o infravermelho), impedindo trocas de
energia por radiação.
c) Correta.
d) Incorreta. A radiação é o único processo de transmissão de calor
que pode ocorrer no vácuo.
e) Incorreta.
Resposta: c
31 Analisando uma geladeira doméstica, podemos afirmar:
I. O congelador fica na parte superior para favorecer a condução do
calor que sai dos alimentos e vai até ele.
II. As prateleiras são grades vazadas (e não chapas inteiriças), para
permitir a livre convecção das massas de ar quentes e frias no interior da geladeira.
III. A energia térmica que sai dos alimentos chega até o congelador,
principalmente, por radiação.
IV. As paredes das geladeiras normalmente são intercaladas com
material isolante, com o objetivo de evitar a entrada de calor por
condução.
Tópico 2 – O calor e sua propagação
Quais são as afirmativas corretas?
a) Apenas a afirmativa I.
b) Apenas as afirmativas I, II e III.
c) Apenas as afirmativas I e III.
d) Apenas as afirmativas II e IV.
e) Todas as afirmativas.
Resolução:
I. Incorreta – O congelador f ica na parte superior para favorecer a
convecção do ar quente.
II. Correta.
III. Incorreta – A energia térmica sai dos alimentos e chega ao congelador, principalmente, por convecção.
IV. Correta.
Resposta: d
32 (Enem) A refrigeração e o congelamento de alimentos são res-
ponsáveis por uma parte significativa do consumo de energia elétrica
numa residência típica.
Para diminuir as perdas térmicas de uma geladeira, podem ser tomados alguns cuidados operacionais:
I. Distribuir os alimentos nas prateleiras deixando espaços vazios entre eles, para que ocorra a circulação do ar frio para baixo e do ar
quente para cima.
II. Manter as paredes do congelador com camada bem espessa de
gelo, para que o aumento da massa de gelo aumente a troca de
calor no congelador.
III. Limpar o radiador (“grade” na parte de trás) periodicamente, para
que a gordura e a poeira que nele se depositam não reduzam a
transferência de calor para o ambiente.
Para uma geladeira tradicional, é correto indicar, apenas,
a) a operação I.
d) as operações I e III.
b) a operação II.
e) as operações II e III.
c) as operações I e II.
Resolução:
I. Correta – O resfriamento dos alimentos ocorre principalmente devido à convecção do ar que circula no interior da geladeira. O ar
quente (menos denso) sobe até o congelador, e o ar frio (mais denso) desce até os alimentos. Deixando espaços vazios, a convecção
do ar é facilitada.
II. Incorreta – O gelo que se forma na parede do congelador funciona como material isolante, dificultando as trocas de calor com o ar
aquecido pelos alimentos.
III. Correta – A energia térmica também retirada do interior da geladeira é irradiada para o interior da cozinha através da serpentina
existente na parte traseira. A poeira e a gordura que, com o tempo,
são depositadas na grade que fica atrás da geladeira formam uma
película que dif iculta essa irradiação. Assim, a limpeza periódica
dessa grade levaria à economia de energia.
Resposta: d
33 A comunidade científ ica há tempos anda preocupada com o
aumento da temperatura média da atmosfera terrestre. Os cientistas
atribuem esse fenômeno ao chamado efeito estufa, que consiste na
“retenção” da energia térmica junto ao nosso planeta, como ocorre nas
estufas de vidro, que são usadas em locais onde em certas épocas do
ano a temperatura atinge valores muito baixos. A explicação para esse
21
acontecimento é que a atmosfera (com seus gases naturais mais os gases poluentes emitidos por automóveis, indústrias, queimadas, vulcões
etc.) é pouco transparente aos raios solares na faixa:
a) das ondas de rádio;
b) das ondas ultravioleta;
c) das ondas infravermelhas;
d) das ondas correspondentes aos raios gama;
e) das ondas correspondentes aos raios X.
Resolução:
A atmosfera poluída faz o papel do vidro nas estufas. Ela é pouco transparente para os raios solares na faixa do infravermelho (ondas de calor).
Resposta: c
34 (Vunesp-SP) Uma estufa para a plantação de flores é feita com
teto e paredes de vidro comum. Dessa forma, durante o dia, o ambiente interno da estufa é mantido a uma temperatura mais alta do que o
externo. Isso se dá porque o vidro comum:
a) permite a entrada da luz solar, mas não permite a saída dos raios
ultravioleta emitidos pelas plantas e pelo solo da estufa.
b) é transparente à luz solar, mas opaco aos raios infravermelhos emitidos pelas plantas e pelo solo da estufa.
c) é opaco à luz solar, mas transparente aos raios infravermelhos emitidos pelas plantas e pelo solo da estufa.
d) ao ser iluminado pela luz solar, produz calor, aquecendo as
plantas.
e) não permite a entrada da luz solar, mas permite a saída dos raios
ultravioleta, emitidos pelas plantas e pelo solo da estufa.
Resolução:
O vidro da estufa é transparente à luz solar e opaco às radiações na
faixa de infravermelho (ondas de calor).
Resposta: b
35 (Uepa) A área total das paredes externas de uma geladeira é
4,0 m2 e a diferença de temperatura entre o exterior e o interior da
geladeira é 25 °C. Se a geladeira tem um revestimento de poliestireno
com 25 mm de espessura, determine a quantidade de calor que flui
através das paredes da geladeira durante 1,0 h, em watt-hora. A condutividade térmica do revestimento de poliestireno é 0,01 W/(m °C).
Resolução:
Usando-se a Lei Fourier, temos:
Q
k A Δθ
=
Δt
L
Q
0,01
·
4,0
· 25
=
25 · 10–3
1,0
φ=
Q = 40 Wh
Resposta: 40 Wh
36 (Mack-SP) Numa indústria têxtil, desenvolveu-se uma pesquisa
com o objetivo de produzir um novo tecido com boas condições de
isolamento para a condução térmica. Obteve-se, assim, um material
adequado para a produção de cobertores de pequena espessura
(uniforme). Ao se estabelecer, em regime estacionário, uma diferença
de temperatura de 40 °C entre as faces opostas do cobertor, o fluxo
22
PARTE I – TERMOLOGIA
de calor por condução é 40 cal/s para cada metro quadrado de área.
Sendo k = 0,00010 cal/s cm °C o coef iciente de condutibilidade térmica desse novo material e a massa correspondente a 1,0 m2 igual a
0,5 kg, sua densidade é:
a) 5,0 · 106 g/cm3.
d) 5,0 · 10–1 g/cm3.
2
3
e) 5,0 · 10–2 g/cm3.
b) 5,0 · 10 g/cm .
3
c) 5,0 g/cm .
38 (Mack-SP) A figura I mostra uma barra metálica de secção transversal quadrada. Suponha que 10 cal fluam em regime estacionário
através da barra, de um extremo para outro, em 2 minutos. Em seguida, a barra é cortada ao meio no sentido transversal e os dois pedaços
são soldados como representa a figura II. O tempo necessário para que
10 cal fluam entre os extremos da barra assim formada é:
100 °C
Resolução:
Usando a Lei de Fourier, temos:
0 °C
φ = k A Δθ
L
0,00010 · 1,0 · 104 · 40
40 =
⇒ L = 1,0 cm
L
Assim:
0,5 · 103
d=m= m ⇒ d=
v A L
1,0 · 104 · 1,0
–2
d = 5,0 · 10 g/cm
Figura I
0 °C
100 °C
Figura II
3
a) 4 minutos.
b) 3 minutos.
c) 2 minutos.
Resposta: e
37 (Mack-SP) Tem-se três cilindros de secções transversais iguais
de cobre, latão e aço, cujos comprimentos são, respectivamente,
46 cm, 13 cm e 12 cm. Soldam-se os cilindros, formando o perfil em Y,
indicado na figura. O extremo livre do cilindro de cobre é mantido a
100 °C e dos cilindros de latão e aço, a 0 °C. Supor que a superfície lateral dos cilindros esteja isolada termicamente. As condutividades térmicas do cobre, latão e aço valem, respectivamente, 0,92, 0,26 e 0,12,
expressas em cal cm–1 s–1 °C–1. No regime estacionário de condução,
qual a temperatura na junção?
0 °C
0 °C
d) 1 minuto.
e) 0,5 minuto.
Resolução:
Na figura I:
φ = Q = k A Δθ ⇒ Q = k A Δθ (2)
L
L
Δt1
(I)
Na figura II:
φ = Q = k 2A Δθ ⇒ Q = 4 · k A Δθ Δt2
L
Δt2
L
2
Igualando-se (I) e (II), vem:
(II)
k 4 A Δθ · Δt = k A Δθ (2)
2
L
L
Aço
(12 cm)
Latão
(13 cm)
Junção
Cobre
(46 cm)
100 °C
Resolução:
φCu = φlatão + φaço
k A Δθ
L
= k A Δθ
L
Cu
+ k A Δθ
L
latão
aço
0,92 · A(100 – θ) 0,26 · A(θ – 0) 0,12 · A(θ – 0)
=
+
13
12
46
0,02 · A(100 – θ) = 0,02 · A · θ + 0,01 · A · θ
2(100 – θ) = 2θ + θ
200 – 2θ = 3θ
200 = 5θ
θ = 40 °C
Resposta: 40 °C
4 Δt2 = 2 ⇒
Δt2 = 0,5 min
Resposta: e
39 Numa sauna, para separar a sala de banho do escritório, usou-se
uma parede de tijolos com 12 cm de espessura. A parede foi revestida
do lado mais quente com uma camada de madeira com 6 cm de espessura e, do lado mais frio, com uma camada de cortiça com 3 cm de
espessura. A temperatura da sauna é mantida a 70 °C, enquanto a do
ambiente do escritório, a 20 °C. Determine as temperaturas nos pontos
de separação madeira/tijolo e tijolo/cortiça, após ser estabelecido o
regime permanente.
Dados: kmadeira = 2 · 10–4 cal/s cm °C;
ktijolo = 15 · 10–4 cal/s cm °C;
kcortiça = 1 · 10–4 cal/s cm °C.
Resolução:
No regime estacionário, vale:
φmadeira = φtijolo = φcortiça
k A Δθ
L
madeira
= k A Δθ
L
tijolo
= k A Δθ
L
cortiça
Sendo θ1 a temperatura do ponto de separação madeira/tijolo e θ2 a
temperatura do ponto tijolo/cortiça, temos:
Tópico 2 – O calor e sua propagação
15 · 10–4 · A(θ1 – θ2)
1· 10–4 · A(θ2 – 20)
2 · 10–4 · A(70 – θ1)
=
=
6
12
3
Assim:
15 · 10–4 · A(θ1 – θ2)
15θ2 + 280
2 · 10–4 · A(70 – θ1)
=
⇒ θ1 =
(I)
6
12
19
15 · 10–4 · A(θ1 – θ2)
1 · 10–4 · A(θ2 – 20)
=
12
3
Igualando-se (I) e (II), vem:
19θ2 – 80
15θ2 + 280
=
19
15
⇒
⇒ θ1 =
19θ2 – 80
15
(II)
θ2 ⯝ 42 °C
Em I, temos:
θ1 =
15(42) + 280
⇒
19
θ1 ⯝ 48 °C
Respostas: 42 °C e 48 °C
40 (IMS-SP)
Dia
Noite
Mar frio
Mar quente
Terra quente
Terra fria
Na região litorânea, durante o dia sopra a brisa marítima, à noite sopra
a brisa terrestre. Essa inversão ocorre porque:
a) o ar aquecido em contato com a terra sobe e produz uma região de
baixa pressão, aspirando o ar que está sobre o mar, criando assim
correntes de convecção e, à noite, ao perder calor, a terra se resfria
mais do que o mar, invertendo o processo.
b) o mar não conserva temperatura e, enquanto está em movimento,
faz deslocar a brisa para a terra.
c) o ar aquecido em contato com a terra sobe e produz uma região de
alta pressão, resultando em uma diminuição da temperatura do ar
que vem do mar por condução.
d) a terra aquece-se durante a noite e faz com que o mar se aqueça
também, movimentando as correntes terrestres.
e) a terra e o mar interagem, pois o calor específ ico da terra, sendo
muito maior que o da água, não permite que ela (terra) se resfrie
mais rápido que o mar, permitindo, assim, que se formem correntes de convecção, que são responsáveis pelas brisas marítimas e
terrestres.
Resolução:
O processo descrito envolvendo deslocamentos das massas de ar, provocados por diferenças de densidade (ar frio mais denso e ar quente
menos denso), traduz o fenômeno denominado convecção térmica.
A água tem calor específico maior que o da areia, o que significa que,
para a mesma variação de temperatura, necessita de maior troca de
calor. Isso explica o fato de a água, durante o dia, demorar mais para se
aquecer (a areia fica mais quente que a água) e, durante a noite, demorar mais para se resfriar (a água fica mais quente que a areia).
Resposta: a
23
41 (Uepa) O efeito estufa é um fenômeno natural, característico de
planetas onde existe atmosfera. Ele acontece na atmosfera da Terra
e também na de Vênus, onde o efeito é muito acentuado e a temperatura alcança valores de cerca de 460 °C. Embora importante para a
manutenção da vida no planeta, hoje é uma preocupação para muitos
ambientalistas e cientistas. Com base em seus conhecimentos sobre o
efeito estufa, analise as seguintes afirmativas:
I. Existem materiais, como o vidro, que permitem a passagem de luz,
mas dificultam a passagem de radiação térmica. Numa estufa com
cobertura de vidro, por exemplo, parte da luz que entra é absorvida
pelas plantas. Estas, sendo aquecidas, emitem radiação infravermelha, que tem dificuldade para atravessar o vidro e aquece o interior
da estufa. Esse efeito é semelhante ao que acontece na atmosfera
da Terra, daí o nome “efeito estufa”.
II. O efeito estufa é importante porque retém o calor na Terra, possibilitando a vida de animais e vegetais. Sua intensif icação é que é
danosa, ocasionando o aumento da temperatura do planeta. Como
consequência disso, dentre outras ocorrências, parte da ilha do Marajó poderá ser inundada e os furacões no Caribe poderão ser mais
frequentes e devastadores.
III. No efeito estufa, a radiação solar atravessa a atmosfera, parte é
absorvida pela Terra e parte é refletida. Uma parcela da radiação
absorvida é reemitida na forma de raios ultravioleta (ondas de
calor), que têm pequeno comprimento de onda e dos quais uma
pequena parte é absorvida, principalmente pelo gás carbônico, vapor d’água e metano, nas altas camadas atmosféricas, criando um
manto quente na superfície da Terra.
IV. Na Lua, não há ocorrência de efeito estufa em virtude de não existir
atmosfera. Isso é uma das causas de as temperaturas no nosso satélite variarem entre –150 °C durante a noite e 100 °C durante o dia.
Estão corretas somente as afirmativas:
a) I, II e IV.
c) I, III e IV.
e) II e IV.
b) I, II e III.
d) I e II.
Resolução:
I. Correta.
II. Correta – Um aquecimento grande na atmosfera pode ocasionar
derretimento das geleiras, aumento do nível dos mares e de rios.
Correntes marítimas também podem alterar suas temperaturas, o
que provoca diferenças de pressão na atmosfera, produzindo deslocamento de massas de ar (ciclones, furacões).
III. Incorreta – As ondas de calor são formadas por radiações infravermelhas e não ultravioletas.
IV. Correta.
Resposta: a
42 (Cefet-MG) Durante uma aula de Física, três alunas citam exem-
plos relacionados ao tema “transmissão de calor”, conforme transcrito
abaixo:
“Garrafas térmicas são úteis para conservar bebidas quentes e frias.
Essas garrafas são constituídas de uma ampola de vidro de paredes
duplas, espelhadas interna e externamente. Entre as paredes de vidro,
quase todo o ar é retirado. O espelhamento impede trocas de calor
por radiação e o ar retirado entre as paredes impede trocas de calor por
radiação e convecção.” (Júlia)
“Dificilmente conseguimos segurar o bulbo de uma lâmpada de filamento que está acesa. O aquecimento do bulbo se dá através da radiação que o filamento emite quando aquecido.” (Maíra)
24
PARTE I – TERMOLOGIA
“As estufas são utilizadas para cultivar certos tipos de plantas que necessitam de um ambiente mais aquecido para se desenvolverem. Geralmente, elas são construídas com uma cobertura de vidro e paredes de
alvenaria. Esses materiais são escolhidos porque são maus condutores
de calor. O vidro é transparente à luz visível e opaco à radiação infravermelha e, junto com a alvenaria, consegue manter a temperatura interna
da estufa mais elevada do que a do ambiente externo.” (Alice)
Sobre a declaração das alunas, pode-se afirmar que apenas a de:
a) Júlia é correta.
d) Júlia e a de Maíra são corretas.
b) Maíra é correta.
e) Maíra e a de Alice são corretas.
c) Alice é correta.
Respostas:
a) 80 °C
b)
θ (°C)
100
80
0
Resolução:
Júlia: Incorreta – O erro está em dizer que o vácuo entre as paredes
duplas impediria trocas de calor por convecção. Se a ampola está fechada, não há nem saída nem entrada de partículas de ar.
Maíra: Correta.
Alice: Correta – Geralmente, nas estufas, as paredes também são de
vidro. No entanto, o que foi descrito é correto.
44 Três barras, de prata, alumínio e ferro, geometricamente iguais,
estão soldadas e envolvidas por um isolante térmico, permitindo um fluxo de calor entre os recipientes mantidos sob temperatura constante.
Isolante térmico
100 °C
Resposta: e
43 O esquema a seguir representa o aparelho de Searle, no qual
se notam duas câmaras, A e B, por onde circulam fluidos a temperaturas constantes e respectivamente iguais a 100 °C e 0 °C. Duas barras
metálicas, 1 e 2, de mesma seção transversal, são associadas como se
indica; as extremidades da associação adentram as câmaras A e B. Os
comprimentos das barras 1 e 2 valem, respectivamente, 10 cm e 16 cm
e os coef icientes de condutibilidade térmica, na mesma ordem, são
1,0 cal/s cm °C e 0,4 cal/s cm °C.
Lã de vidro
A
1
2
a) Estabelecido o regime permanente de condução, qual é a temperatura na junção da associação das barras?
b) Construa o gráfico da temperatura ao longo das barras. Considere a
origem do gráfico na extremidade esquerda da barra 1.
φ1 = φ2 ⇒
k1 A Δθ1 k2 A Δθ2
=
L1
L2
Fe
d
d
d
Q
X
R
θ
P
Q
S x
R
b)
S
θ
P
Q
R
S x
P
Q
R
S x
P
Q
R
S x
d)
θ
P
1,0 (100 – θ) 0,4 (θ – 0)
=
10
16
Al
0 °C
Sabe-se que as barras metálicas foram colocadas, da esquerda para a
direita, na ordem decrescente das condutividades térmicas, isto é, a
prata é melhor condutora de calor do que o alumínio, que por sua vez
é melhor condutor do que o ferro.
O diagrama que melhor representa a variação da temperatura (θ) em
função da posição (x) é:
e)
a)
c)
θ
Resolução:
a) No regime estacionário, temos:
Ag
P
θ
B
26 ᐉ (cm)
10
Q
S x
R
Resolução:
No gráfico, podemos observar que:
4 θ = 1 600 – 16 θ ⇒ 20 θ = 160° ⇒
θ = 80 °C
θ (°C)
b)
θ (°C)
Δθ
100
α
80
ᐉ
0
10
20
26
30 ᐉ (cm)
φ
tg α = Δθ =
L kA
A declividade (o ângulo α) é inversamente proporcional à condutividade térmica k, do material. Assim, para maior k, vamos ter menor α e,
para k, vamos ter maior α.
Tópico 2 – O calor e sua propagação
mesmo bloco metálico precisou de um intervalo de tempo ΔtB para sofrerem a mesma variação de temperatura Δ␪. Se as demais condições
não se alterarem, é verdade que:
d) Δt = ΔtA = ΔtB.
a) Δt = ΔtB < ΔtA.
e) Δt < ΔtA < ΔtB.
b) Δt < ΔtA = ΔtB.
c) Δt > ΔtA = ΔtB.
θ (°C)
α1
α2
α3
P
Q
25
R
S
ᐉ
α1 < α2 < α3
Resposta: b
45 Uma forma experimental para medir a condutividade térmica de um material usado como isolante é construir uma caixa com
esse material. No seu interior, é colocado um aquecedor elétrico de
potência conhecida que mantém a temperatura interna superior à
externa.
Resolução:
No interior de um elevador em queda livre, a gravidade aparente é nula
(gravidade zero).
Nessas condições, não ocorre convecção, a água se aquece apenas por
condução. Como a água não é boa condutora de calor, temos:
ΔtA ⬎ Δt
No metal, não muda nada, o aquecimento ocorre apenas por condução:
ΔtB = Δt
Portanto:
Δt = ΔtB ⬍ ΔtA
Resposta: a
Suponha que foi construída uma caixa com determinado material
isolante. A área total externa tem 4,0 m2 e a espessura das paredes é de 5,0 mm. O aquecedor elétrico desenvolve uma potência
constante de 300 W, mantendo a temperatura interna da caixa
50 °C acima da temperatura externa. Desprezando possíveis efeitos
de bordas, determine o coef iciente de condutividade térmica do
material em questão.
Se essa caixa fosse cúbica, qual seria o fluxo de calor através de uma
de suas faces?
Resolução:
φ = Q = k A Δθ
Δt
L
Mas: Q = Pot
Δt
Portanto:
Pot = k A Δθ ⇒ k = Pot L
A Δθ
L
–3
k = 300 W 2 5 · 10 m ⇒ k = 7,5 · 10–3 W/m °C
4 m · 50 °C
Se a caixa fosse cúbica, ela teria seis faces iguais. Em uma das faces, o
fluxo de calor seria a sexta parte do fluxo total:
φ1 = Pot = 300 W ⇒
6
6
φ1 = 50 W
Respostas: 7,5 · 10–3 W/m °C; 50 W
46 Uma massa m de água e um bloco metálico de massa M são
aquecidos em um laboratório durante um intervalo de tempo Δt, ambos sofrendo a mesma variação de temperatura Δ␪. Usando-se a mesma fonte térmica, com a mesma potência, dentro de um elevador em
queda livre, a mesma água precisou de um intervalo de tempo ΔtA e o
47 Um vestibulando estava na cozinha de sua casa quando resolveu realizar uma experiência de trocas de calor que seu professor de
Física havia proposto. Para tanto, utilizou um caldeirão, uma garrafa
de vidro, água e sal. Colocou água no caldeirão e no interior da garrafa de vidro. O caldeirão foi colocado sobre a chama do fogão e a
garrafa, que estava aberta, teve seu gargalo preso a um barbante,
que, esticado, a mantinha afastada do fundo do caldeirão, porém
mergulhada na água.
Após alguns minutos, ele observou que a água do caldeirão entrou em
ebulição (a 100 °C), mas a água do interior da garrafa (que também
estava a 100 °C) não fervia. Esperou mais alguns minutos e colocou um
punhado de sal na água do caldeirão; pouco tempo depois, notou que
a água no interior da garrafa entrava em ebulição.
a) Por que, mesmo estando a 100 °C, a água da garrafa não fervia?
b) O que ocorre com a temperatura de ebulição da água quando
acrescentamos sal?
c) Por que, depois de ser acrescentado sal à água do caldeirão, a água
do interior da garrafa também entrou em ebulição?
Resolução:
a) O fluxo de calor através de uma “parede” é dado pela Lei de
Fourier:
φ = Q = k A Δθ
Δt
L
Quando a diferença de temperatura entre os meios que a referida “parede” separa é nula (Δθ = 0), não há fluxo de calor. Assim,
apesar de a água da garrafa estar a 100 °C (temperatura de ebulição), ela não recebe mais calor, não podendo, então, entrar em
ebulição.
b) O sal aumenta a temperatura de ebulição da água do caldeirão.
c) Com sal, a água do caldeirão ferve a mais de 100 °C. Assim, haverá uma diferença de temperatura entre a água do caldeirão e a da
garrafa (que está a 100 °C). Esse fluxo de calor que se estabelece
provoca a ebulição da água da garrafa.
Respostas: a) Δθ = 0; b) O sal aumenta a temperatura de ebulição
da água. c) Δθ ≠ 0
26
PARTE I – TERMOLOGIA
48 (Enem) A padronização insuf iciente e a ausência de controle
na fabricação podem também resultar em perdas signif icativas de
energia através das paredes da geladeira. Essas perdas, em função da
espessura das paredes, para geladeiras e condições de uso típicas, são
apresentadas na tabela.
Espessura das paredes (cm)
Perda térmica mensal (kWh)
2
65
4
35
6
25
10
15
Considerando uma família típica, com consumo médio mensal de
200 kWh, a perda térmica pelas paredes de uma geladeira com 4 cm de
espessura, relativamente a outra de 10 cm, corresponde a uma porcentagem do consumo total de eletricidade da ordem de:
a) 30%.
c) 10%.
e) 1%.
b) 20%.
d) 5%.
Resolução:
Para a geladeira com paredes de 4 cm, temos:
200 kWh → 100%
35 kWh → x1%
x1 = 35 · 100 %
200
x1 = 17,5%
Para a geladeira com parede de 10 cm, temos:
200 kWh → 100%
15 kWh → x2%
x2 = 15 · 100 %
200
x2 = 7,5%
Assim, a relação pedida é dada por:
Δx = x1 – x2
Δx = 17,5 – 7,5
Δx = 10%
Resposta: c