Resoluções de Exercícios
EA – EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM
EH – EXERCITANDO HABILIDADES
TC – TAREFA DE CASA
FÍSICA II
02 B
Capítulo
O CALOR E OS FENÔMENOS TÉRMICOS
06
Termodinâmica
O uso intensivo do carvão mineral, substituído pelo petróleo no início
do século XX, inaugurou a era dos combustíveis fósseis, com consequências extremamente danosas para o meio ambiente, tais como a
chuva ácida e a aceleração do efeito estufa.
EH ă BLOCO
EA ă BLOCO
01
01 C
Na compressão (V<0) e sendo isotérmica, a temperatura se mantém. Como d = m / V, a redução de volume acarreta um aumento
na densidade.
02 E
Sendo uma compressão (V<0) há trabalho negativo (W < 0). Se o
processo é isotérmico, U = 0.
03 E
= Área.
= P . V = (10 – 5) . (5 . 105)
= 25 . 105 J
EA ă BLOCO
02
01 D
O trabalho obtido será máximo se a máquina operar em ciclos de
Carnot. Deste modo seu rendimento seria:
T
300
x
x
=
h = 1– 2 =
& 1–
T1
Q1
500
1.000
x = 400 cal.
02 h =
x
200 – 120
=
200
Q1
h = 40%.
Por conservação da energia:
Q2 = 4.000 – 800 = 3.200J
Se operar com rendimento máximo (Carnot):
T2
Q
= 2
T1
Q1
300
3.200
=
4.000
T1
T1 = 375k
03
01 B
Pois seu enunciado corresponde à lei zero da termodinâmica.
02 C
A máquina térmica ideal já pressupõe a realização de trabalho sem
aumento de entropia. Uma máquina hipotética com rendimento superior implicaria em redução da entropia geral, o que é proibido pela
segunda lei da termodinâmica.
EH ă BLOCO
01
01 A
Para conter o avanço do efeito estufa é necessário reduzir o lançamento
de CO2 na atmosfera.
12
01 A
Na combustão, a energia de combustão (química) é convertida em
calor, e no cilindro do automóvel, o calor é convertido em energia
cinética, que é transmitida às rodas do automóvel através de um
conjunto de peças que constitui o sistema de transmissão.
EH ă BLOCO
03
01 C
Com o radiador de calor ventilado, a transferência de calor para o
ambiente se dá mais facilmente.
TC ă BLOCO
01
01 B
No processo 1  2 o gás se expande (V cresce) mas sua temperatura
permanece constante (transformação isotérmica), assim, sua energia
interna permanece constante.
Expansão  W > 0 e Isotérmica U = 0.
U = Q – W  Q = U + W Q > 0 (o gás recebe calor)
02 C
W = área = b . h = 2 . 10–3 . 2 . 104 = 40 J
T = 1/f = 1/10 = 0,1 s
P = W / T = 40/0,1 = 400 W = 0,4 kW
03 C
03 A
EA ă BLOCO
02
Ciências da Natureza e suas Tecnologias
FÍSICA – Volume 02
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Transformação A  B
Isobárica, logo, V é proporcional a T. Assim, VB > VA  TB > TA.
Logo, se a temperatura aumentou a energia interna também aumentou.
Transformação B  C
Isovolumétrica, logo, W = 0.
Isovolumétrica, logo, p é proporcional a T. Assim, pB > pC  TB > TA.
Consequentemente, se a temperatura diminuiu a energia interna
também diminuiu.
Transformação C  A
pCVc/Tc = pAVA/TA  1,5 . 1.2 / TC = 1,2 . 1,5 / TA  TA = TC
04 A
O processo AB tem acréscimo de temperatura (U > 0) e > 0 pois o
volume aumentou, o que só é possível com fornecimento de calor. Já
o processo BC começou e terminou com a mesma temperatura, pois
PBVB = PCVC, então, em BC não há variação de energia interna.
05 A
A temperatura de A para B , segundo o gráfico, acontece de modo que
a curva p x T é uma reta, ou seja: p = a T , onde a é uma constante.
Como este gás é ideal, temos:
pV = nRT  p = (nR/V) . T  a = nR/V
Assim, se a é constante, V também é constante.
Se V é constante, temos W = 0.
De acordo com o gráfico, sabemos que TB > TA  U > 0.
Assim, de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica, temos:
U = Q – W  Q = U + W, logo Q > 0.
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06 D
Como a curva b é uma hipérbole equilátera, ela representa uma isotérmica, logo as temperaturas dos pontos i e f são iguais, o que significa
que nos trechos a, b e c não há variação da energia interna (U = 0).
U = Q – W  Q = W + U  Q = W, logo, Q será máximo no trecho
de trabalho (área) máximo (trajetória a).
TC ă BLOCO
02
01 D
 = W/Q1  0,6 = 3 . 104 / Q1  Q1 = 5 . 104 J  Q2 = 2 . 104 J
U = 0, pois a transformação é cíclica.
02 B
07 E
p constante  transformação isobárica.
W = p . V = 300 . 0,4 = 120 J
U – Q – W = 100 cal – 120 J = 400J – 120 J = 280 J = 70 cal.
Isobárica  V1/T1 = V2/T2  0,2/300 = 0,6/T2  T2 = 900 K = 627oC.
A velocidade média das moléculas variou, pois a temperatura do gás variou.
08 D
Ao soprar, o ar comprimido na boca é rapidamente expelido, sofrendo
expansão brusca logo que sai da boca, não tendo tempo de trocar
calor com o meio. Trata-se de uma expansão adiabática onde, devido à
expansão sem recebimento de calor, a temperatura cai, ou seja, o gás
realiza trabalho às custas de sua energia interna que, naturalmente,
irá diminuir.
09 A
A energia total gerada será:
E = 3,6 . 107 x 2,5 = 9 . 107 J
Rendimento:
=
1, 8 .107
= 0,2 = 20%
9 .107
03 C
Para o intervalo de 1 segundo, a quantidade de calor liberada pela
queima do combustível (Q) pode ser dada por:
Q = m . C = 4 g x 11.100 cal/g = 44.400 cal = 44.400 x 4 J = 177.600 J
f = 3.300 rpm = 3.300/60 Hz = 55 Hz  T = 1/f = 1/55 s
Podemos então fazer a seguinte proporção:
Intervalo de tempo x quantidade de calor liberada
1s

177.600 J
1/55 s

Q
Assim, temos:
Q = 177.600 x 1/55 J  3.229,1 J
U = Q –
U = – 42 – 60
U = – 102 J
Como a pressão média é de 8 atm, podemos calcular o trabalho
realizado pelo pistão por:
W = p .V = 8 atm x 1 L = 8 . 105 x 1 . 10–3 = 800 J
10 A
A água ao evaporar, rouba calor da pele resfriando-a.
11 A
Um segmento de reta crescente, alinhado com a origem, indica uma
proporcionalidade direta entre V e T, ou seja a razão V/T é constante.
o que ocorre quando a transformação é isobárica. O aumento da
temperatura indica o aumento da energia interna do sistema.
12 D
= 0 na transformação isométrica pois V = 0.
13 C
Se T = 0  U = 0
14 A
Na compressão isobárica, o volume diminui e a pressão se mantém,
com isso, o produto PV diminui. Como PV = nRT, a temperatura também diminuirá, indicando uma redução na energia interna do sistema.
Finalmente, para um ciclo, podemos calcular o rendimento () por:
 = W/Q1 = 800/3229,1  0,248  25%
04 C
Pela Lei Geral dos Gases, a temperatura (e a energia interna) será maior
onde o produto PV for maior:
PV
PV
1 1
= 2 2
T1
T2
No processo BC, PB = PC, mas VB < VC, logo PBVB < PCVC e TB < TC
No processo DA, VD = VA, mas PA < PD, logo PAVA < PDVD e TA < TD
Nos processos adiabáticos, como não há troca de calor, quando o trabalho é positivo a energia interna cai (temperatura cai) e quando o trabalho é negativo a energia interna aumenta (temperatura sobe), assim:
AB – compressão – trabalho negativo – energia interna sobe – temperatura sobe: TA < TB
CD – expansão – trabalho positivo – energia interna cai – temperatura
cai: TC > TD
05 B
15 D
W = p . V = 50 . 5 . 10–3 = 2,5 . 10–1 J
16 A
O trabalho pode ser calculado pelas áreas sob as curvas:
AC
=
(5 .102 + 2 .102) . 2
= 700 J
2
06 E
= 2 . 2 . 102 = 400 J
ABC
17 A
Como num ciclo de U = 0  Q =
pela área interna do ciclo.
| |
e o trabalho pode ser calculado
b . h 0, 5 . 500
=
= 125 J
2
2
18 E
I. (V) Pois pV = nRT e se V diminui, p deve aumentar para manter a
igualdade.
II. (F) Sendo pV = nRT, com p constante, se V aumenta, T deve aumentar para manter a igualdade.
III. (V) Sendo U = Q – W, com Q = 0 (adiabática) e W < 0 (compressão), teremos U > 0 e, consequentemente, T > 0.
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No tempo 2, ocorre a compressão (com as válvulas fechadas), o êmbolo sobe, movido pelo virabrequim, comprimindo a mistura do ar
com o combustível rapidamente – observe que como a compressão
é muito rápida, não ocorre trocas de calor com o meio, portanto o
processo é adiabático.
De acordo com a 2a Lei da Termodinâmica, nenhuma máquina térmica,
operando em ciclos, consegue transformar integralmente calor em
trabalho. Portanto o rendimento nunca pode chegar a 100%, sendo,
no máximo, igual ao da máquina de Carnot.
De fato, analisando o gráfico, vemos que o rendimento seria igual a
100% quando T2/T1 = 0  T2 = 0 K, o que é um absurdo.
Logo, o rendimento de uma máquina térmica será sempre menor que 100%.
07 C
Em AB, U > 0, pois é compressão ( < 0) sem troca de calor.
Em BC, U > 0, pois T > 0 (PBVB < PCVC). Em CD, U < 0, pois é
uma expansão ( > 0) sem troca de calor. Em DA, U < 0, pois T
(PDVD < PAVA). No ciclo todo, U = 0.
08 A
 = Eútil / Erecebida = 1,2 / 71 = 0,2 = 20%, logo o desperdício é igual a
80% da energia (calor) recebida.
Ciências da Natureza e suas Tecnologias
FÍSICA – Volume 02
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09 D
A figura mostra o esquema de uma térmica:
A máquina recebe calor da fonte quente, executa trabalho e rejeita calor para a fonte fria.
O rendimento da máquina é: h =
Qq – Qf
W
=
Qq
Qq
Atuando em um ciclo de Carnot a expressão do
Tq – Tf
.
rendimento é: h =
Tq
Igualando as equações, vem:
Transformação B C
Adiabática (Q = 0) e Expansão (W > 0)
U = Q – W U < 0
Transformação C  D
Isoterma (U = 0) e Compressão (W < 0)
Q = U + W  Q < 0 (o gás fornece calor)
TC ă BLOCO
01 B
w = 1600 cal
Qq – Qf
Tq – Tf
2.400 – Qf
400 – 300
=
=
"
Qq
Tq
2.400
400
2.400 – Qf =
2.400
" Qf = 2.400 – 600 = 1.800J
4
10 A
Na combustão são gerados gases que, ao expandir, impulsionam os
pistões do motor realizando trabalho mecânico.
11 C
Quando o enunciado diz “não há tempo para a troca de calor entre o
gás e o meio exterior” fica caracterizada uma transformação adiabática.
Sendo uma expansão, há um trabalho realizado para o qual não foi
dada a energia equivalente, portanto esta só pode ter saído da energia
interna do gás que, por isso, diminui, diminuindo a temperatura junto.
12 D
O refrigerador é antinatural. Ele força o fluxo de calor do ponto de
menor para o de maior temperatura.
13 E
Nos processos adiabáticos, como não há troca de calor, quando o
trabalho é positivo a energia interna cai (temperatura cai) e quando
o trabalho é negativo a energia interna aumenta (temperatura sobe),
assim:
expansão – trabalho positivo – energia interna cai – temperatura cai
14 D
Como o volume de café não varia o mesmo ocorrerá com o volume
de ar dentro da garrafa. O processo será isocórico e esta forma P/T =
constante para um volume constante.
15 D
O ciclo Carnot é um ciclo teórico que expressa o valor máximo que o
rendimento da máquina térmica poderia oferecer. Assim, sob mesmas
condições, uma máquina térmica qualquer terá rendimento inferior
ao obtido pelo ciclo de Carnot, ou seja,  < 50%.
16 D
A) (F) O ciclo de Carnot é um ciclo teórico que dá o máximo rendimento
que uma máquina térmica poderia oferecer.
B) (F) Estas grandezas se relacionam pela fórmula P = F.v.
C) (F) O calor de combustão é obtido pela queima do combustível, a
faísca é necessária apenas para iniciar a combustão.
D) (V) O petróleo é obtido a partir da decomposição de matéria orgânica ao longo de milhões de anos.
17 A
Antes de tudo é necessário esclarecermos que estas informações
(1.0, 1.6, 1.8 e 2.0) dizem respeito ao volume interno do curso de
todos os cilíndros, expresso em litros. Assim, dizermos que um carro
popular tem motor 1.0 significa dizer que, em cada um dos 4 cilíndros,
a variação de volume do gás durante a expansão, após a combustão,
é de 0,25 litro.
Como o trabalho está associado à expansão do gás, cilíndros maiores
permitem potências maiores. Lembre que nada é de graça, se a potência é maior, o consumo também é.
18 B
Transformação A  B
Isoterma (U = 0) e Expansão (W > 0)
Q = U + W  Q > 0 (o gás recebe calor)
14
Ciências da Natureza e suas Tecnologias
FÍSICA – Volume 02
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03
Q2
Sistema
Q1 = 2400 cal
 = Q2/W = (2400 – 1600)/1600 = 0,50
02 B
O ciclo anti-horário representa uma máquina refrigeradora (recebe
trabalho) e a área dentro do ciclo é numericamente igual ao trabalho
recebido.
03 D
Ao condensar sobre a placa, a água passa da forma mais dispersa e
desorganizada (vapor) para uma forma mais condensada e organizada (líquida), com a equivalente perda de calor latente, o que faz sua
entropia reduzir-se. Atente para o fato de que ao receber este calor, a
placa de vidro tem a sua entropia aumentada, compensando a redução
de entropia do vapor e não deixando que a entropia total se reduza
(o que não poderia ocorrer num processo espontâneo).
04 C
I. Verdadeiro – em processos irreversíveis, a entropia aumenta.
II. Falso – Considerando a entropia do gás como uma função de estado, como o estado inicial do gás é igual ao final, a sua entropia
também é igual.
III. Falso – Numa expansão adiabática, há trabalho positivo sem o
recebimento de calor, portanto a energia interna diminui.
IV. Verdadeiro – energia interna é função de estado. Como o estado
inicial é igual ao final, a energia interna também o é.
05 E
I. Falso – a energia interna é a soma das energias de todas as partículas, portanto depende do número total delas.
II. Verdadeiro
III. Falso – numa transformação adiabática o volume, a pressão e a
temperatura são alteradas.
IV. Verdadeiro
06 C
De acordo com o conceito de entropia, máquina nenhuma converte
integralmente calor em trabalho.
07 C
O ar recebe calor do radiador, o que aumenta a sua entropia.
08 B
O calor flui de maneira forçada do interior da geladeira (parte mais
fria) para a parte externa (parte mais quente).
09 E
A máquina térmica não pode ter rendimento igual a 100% porque
isto viola o princípio da entropia.
10 A
Esquema geral:
W
Q1
sistema
Q2
Onde:
Q1 é o calor recebido
W é o trabalho realizado
Q2 é o calor desperdiçado (rejeitado para a fonte fria)
FÍSICA II
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11 C
Nos processos espontâneos a entropia total aumenta.
12 A
Esse sistema nunca entraria em equilíbrio térmico pois um lado sempre
teria moléculas com alta energia cinética (temperatura alta) e o outro
com moléculas de baixa energia cinética (temperatura baixa).
13 D
Em um sistema de refrigeração, como uma geladeira ou ar-condicionado, o trabalho é recebido para que o calor oriundo da fonte fria
seja transferido para a fonte quente.
14
E
Na situação inicial temos:
T
T
I. n1 = 0, 3 = 1– 2 & 2 = 0, 7.
T1
T1
Na nova situação:
T
1 T
n2 = 1– 2 = 1– e 2 o
2T1
2 T1
1
n2 = 1– (0, 7) = 0, 65 = 65%
2
15 B
Os processos adiabático e isotérmico não são lineares e logo eliminamos as opções I, II e V. Os processos adiabáticos tem trabalho associado
inferior ao dos processos isotérmicos e desta forma os diagramas IV e
III são os que melhores atendem, nesta ordem, o solicitado.
16 D
I. (V) Transfere calor da fonte quente para a fonte fria.
II. (V) A fase de evaporação é quando o gás recebe calor e de condensação, quando ele cede.
III. (F) Quanto maior o calor latente de vaporização do líquido refrigerante, menor é o trabalho realizado pelo refrigerador.
IV. (V) A máquina refrigeradora recebe trabalho (energia) e com isso
retira calor da fonte fria e o transfere para a fonte quente.
17 E
I. (V) O rendimento máximo possível é o da máquina que opera no
ciclo de Carnot, que ainda assim é inferior a 100%.
II. (V) Esta passagem é forçada, pois o calor tende a passar espontaneamente no sentido inverso.
III. (V) De acordo com o conceito de calor.
18 E
Observe que a ordem do sistema na figura 3 é maior que a da figura
1, logo, a entropia do sistema diminui.
19 D
O trabalho realizado em um ciclo num diagrama de pressão e volume
é numericamente igual à área dentro do ciclo. A área será determinada pela diferença entre as áreas sob as linhas até o eixo de volume.
A área maior dada pela linha superior é um trapézio e um retângulo:
3
Área do trapézio: (2 + 4) .
=9J
2
Área do retângulo: 2 . 3 = 6 J
Área maior: 9 + 6 = 15 J
A área menor dada pela linha inferior é um trapézio e um retângulo:
3
=6J
Área do trapézio: (1 + 3) .
2
Área do retângulo: 1 . 3 = 3 J
Área maior: 6 + 3 = 9 J
O trabalho no ciclo então é 15 – 9 = 6 J
20 C
Como os estados inicial e final são comuns aos três processos, a variação de energia interna é a mesma em todos. Se, de acordo com a 1ª
lei, U = Q – W, temos que Q = U + W de tal modo que o processo
de maior trabalho será também o que trocou o maior calor. Lembrando
que o trabalho pode ser obtido pela área sob o gráfico da transformação teremos W1 > W2 > W3 e consequentemente Q1 > Q2 > Q3.
FÍSICA II
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TC ă BLOCO
04
01 A) Os gráficos I a IV mostram temperaturas variáveis. O gráfico VI mos-
tra uma curva onde o produto P x V é igual em todos os pontos,
portanto só este último mostra uma transformação isotérmica.
B) Os gráfico I, II, V e VI mostram pressões variáveis. O gráfico III
mostra uma reta crescente onde a razão V/T é constante, logo só
este último mostra uma transformação isobárica.
C) Os gráficos III a VI mostram volumes variáveis enquanto o gráfico I
mostra uma reta crescente onde a razão P/T é fixa, logo este último
mostra uma transformação isométrica.
02 A
U = (3/2)nRT. Se o processo é isotérmico (T=0), temos U=0.
03 D
Sendo U=0 e U=Q – W teremos Q = W = 200J.
04 A
Em ambos os processos a temperatura duplicou, logo a energia cinética
média das moléculas também duplicou, visto que as duas grandezas
são diretamente proporcionais.
05 C
Nas etapas AB e CD, o trabalho é nulo, pois não há variação de volume.
Na etapa BC, o trabalho é positivo, pois a variação de volume é positiva (expansão) enquanto na etapa DA o trabalho é negativo, pois a
variação de volume é negativa (compressão).
06 D
Durante o processo de combustão biológico a energia dos alimentos
é liberada de forma gradual. Os organismos autótrofos conseguem
transformar a energia luminosa em energia química que fica armazenada no ATP.
Em todo sistema físico isolado vale o princípio da conservação da
energia. No caso da primeira lei da termodinâmica:
Q = U + W
O calor trocado (Q) pelo sistema igual à variação da energia interna
desse sistema (U) somada ao trabalho realizado (W) pelas forças
por ele aplicadas.
07 D
A) Incorreta. Pela convenção de sinais da 1a lei da termodinâmica,
quando se realiza trabalho (W) sobre o gás, esse trabalho é negativo
(W = –400 J).
B) Incorreta. A temperatura é constante, portanto, a transformação
é isotérmica.
C) Incorreta. A energia interna é função exclusiva da temperatura. Se a
transformação é isotérmica a energia interna é constante (U = 0).
D) Correta. Da 1a lei da termodinâmica:
Como o sinal do calor é negativo, de acordo com a convenção de
sinais, o gás cedeu calor à vizinhança.
E) Incorreta. De acordo com o exposto na afirmativa anterior: Q = – 400 J.
08 C
Dados: Q = 0 (adiabática);
Da primeira lei da termodinâmica:
U = Q – W  U = Q – W
Tendo sido uma expansão, W > 0 o que implica em U < 0.
09 A
A) Correta. Devido à pressão, o gás exerce força sobre o êmbolo,
empurrando o pistão, realizando trabalho positivo.
B) Incorreta. Transformação adiabática é aquela em que o gás não
troca calor com a vizinhança.
C) Incorreta. A energia interna de um gás ideal depende exclusivamente da sua temperatura absoluta. Portanto, somente não ocorre
variação da energia interna, quando a transformação é isotérmica.
D) Incorreta. Na compressão o gás recebe trabalho de um agente
externo.
E) Incorreta. Se a transformação é isovolumétrica, não ocorre deslocamento do pistão, não havendo realização de trabalho.
Ciências da Natureza e suas Tecnologias
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10 D
Da equação de Clapeyron:
pV
pV=nRT & T=
.
nR
02 C
Torre de Transmissão
Gerador
Essa expressão nos mostra que a temperatura é diretamente proporcional ao produto pressão x volume. O gráfico nos mostra que o mínimo
valor desse produto é no final da transformação III, portanto, esse é
o ponto em que a temperatura atinge o menor valor.
Água
11 D
3
1
kT = mv2
2
2
Ao duplicar a velocidade do lado direito da equação, a temperatura quadruplica. Agora, se analisarmos pela equação de Clapeyron, PV = nRT, o
aumento da temperatura provocará um aumento proporcional na pressão.
Turbina
Ec =
A geração de energia elétrica numa hidrelétrica segue a seguinte ordem:
Energia potencial da água  energia cinética da água  energia
cinética da turbina  energia elétrica no gerador.
12 C
O gráfico V x T em reta crescente indica proporcionalidade direta entre
V e T, o que ocorre quando o processo é isobárico. Com a pressão
constante, pode-se escrever:
W = P . V = nR . T
Substituindo os valores na expressão do lado direito:
W = 1. 8,31. (620-310)
W = 2.573 J
Capítulo
O CALOR E OS FENÔMENOS TÉRMICOS
07
Energia Elétrica via Calor
EH ă BLOCO
01 D
O magma que circula no subsolo aquece as massas de água subterrâneas, cuja energia térmica é utilizada na geração de energia elétrica.
02 E
O calor liberado pelos sais fundos é utilizado para aquecer a água
da caldeira, transformando-a em vapor e posteriormente acionar
o gerador, ou seja, os sais fundidos funcionam com se fossem uma
bateria térmica.
EH ă BLOCO
EA ă BLOCO
04
01 D
Uma possibilidade para um resfriamento natural da água antes de sua
reinserção no rio, seria um resfriador em forma de cascata, de tal sorte
que o contato com o ar durante a queda permitisse o resfriamento e
a reoxigenação da água.
Quanto mais próximo à linha do equador (menores latitudes) maior
e mais regular é a insolação anual, possibilitando um maior aproveitamento da energia solar.
05
01 B
As centrais nucleares em uso atualmente obtém sua energia da fissão
(quebra) de átomos de Urânio enriquecido em reações controladas.
Embora se use o termo “combustível nuclear”, o que ocorre não é a
reação do urânio com o oxigênio (combustão) e sim sucessivas fissões
de átomos por nêutrons de alta velocidade, liberando o calor que gera
o vapor d’água a alta pressão para movimentar as turbinas acopladas
aos geradores de eletricidade.
02 B
A água usada no resfriamento da usina, se entregue ainda quente
ao ambiente aquático, pode alterar a temperatura média da água
naquele ponto, alterando a quantidade de gases dissolvidos na água
e o seu pH, interferindo assim, nas condições de sobrevivência das
espécies que ali habitam.
EA ă BLOCO
06
01 D
Dados: P = 12.000 MW = 12  106 kW; t = 2 h; E1 = 400 kWh.
A energia gerada em 2 horas é:
E = P t = 12  106  2 = 24  106 kWh.
A quantidade, N, de casas abastecidas é:
E
24 # 106
=
N=
 N = 60  103.
E1
400
16
05
01 D
Estas massas de água são usadas para condensar o vapor d’água para
que a água obtida a partir da condensação possa ser reutilizada no
processo de geração de energia elétrica.
TC ă BLOCO
05
01 A
02 A
EA ă BLOCO
04
Ciências da Natureza e suas Tecnologias
FÍSICA – Volume 02
AP 2013 FIS II V2 RESOLUÇÃO.indd 16
Pela ordem, a água contida na caldeira é aquecida, se transformando
em vapor, em seguida este vapor aciona a turbina. Finalmente o vapor
se transforma de volta em água no condensador e a bomba d’água faz
a água retornar à caldeira, para dar início a um novo ciclo.
02 B
Cada etapa do processo implica numa perda de energia, pois nenhuma
delas é ideal, ou seja, nenhuma delas consegue transformar 100% da
energia (uma parte sempre é perdida, normalmente sob a forma de
calor). Portanto, a cada etapa a energia útil diminui.
03 C
Ambas utilizam água quente, em forma de vapor, para a geração de
eletricidade. A diferença é que a usina termelétrica utiliza a combustão
para a geração de calor, enquanto a usina geotérmica utiliza a energia térmica de águas subterrâneas, que são aquecidas pelo magma.
Enquanto as termelétricas emitem gases causadores do efeito estufa,
as geotérmicas não emitem, porém emitem o ácido sulfídrico que é
nocivo à saúde humana.
04 A
Trata-se de uma usina geotérmica, que utiliza o calor liberado pelo
magma para aquecer uma massa de água e transformá-la em vapor,
para então acionar a turbina da usina.
05 E
Desta forma, o calor que seria liberado para o ambiente é aproveitado para nova geração de energia elétrica, aumentando, assim, o
rendimento da usina.
06 A
Tal qual a questão anterior, a queima do bagaço possibilitaria o uso
de uma energia que não seria aproveitada, aumentando o rendimento
da usina.
FÍSICA II
26/03/2013 18:38:27
07 A
A recuperação energética se dá pela transformação do calor que seria
liberado para o ambiente, que será transformado em energia cinética
(da turbina).
08 D
Numa usina geotérmica, assim como numa nuclear ou numa termelétrica convencional, o calor produz vapor a alta pressão, cujo movimento
é convertido em energia elétrica por um gerador eletromecânico.
07 D
Realmente as usinas nucleares não contribuem para o aquecimento
global, por não emitirem gases causadores do efeito estufa. Isto ocorre
porque o calor não é obtido pela queima de combustíveis fósseis, mas
pela fissão nuclear.
Apesar de não emitir os gases do efeito estufa, este tipo de usina é
temido por muitos porque os rejeitos radioativos precisam ser guardados por milhares de anos, e qualquer vazamento gera um desastre
ambiental de grandes proporções.
08 A
09 A
Observe no processo 2 que o rendimento da termelétrica é de
40%, fazendo com que este processo tenha rendimento total igual a
0,4 x 0,95 = 0,38 = 38%, que é inferior ao rendimento do primeiro
processo, que é igual a 0,95 x 0,70 = 0,665 = 66,5%.
10 A
A celulignina seria o combustível deste processo, logo teria o mesmo
papel do gás natural numa usina termelétrica, do magma numa usina
geotérmica e do urânio numa usina nuclear.
11 E
A geração de energia às custas da queima de combustíveis fósseis
emite gases que colaboram para o efeito estufa, causador do aquecimento global.
12 D
As termelétricas podem utilizar, como combustível para a geração de
calor, diversas fontes, tais como petróleo, gás natural ou carvão, mas
todas elas têm em comum o fato de emitirem gases poluentes que
contribuem para o efeito estufa.
13 A
A energia petrolífera é esgotável e tem boas chances de ser cada vez
mais substituídas por energias de fontes renováveis. Toda geração de
energia traz algum tipo de impacto, não há exploração sem impacto,
mas sim com impacto controlado.
Os rejeitos radioativos continuam emitindo radiação por milhares de
anos e, por esta razão, precisam ser guardados com extremo zelo.
09 C
A fissão nuclear também pode ser usada em material bélico.
10 D
De acordo com a figura, as transformações de energia térmica (calor) em
energia elétrica, ocorridas nas usinas termelétricas e nucleares, possuem
um baixo índice de aproveitamento energético, aproximadamente 30%.
11 D
Levando-se em conta que E = Pot x T
e sendo a potência constante, temos:
E1 = Pot x 45
E2 = Pot x 100
Economia:
E2 – E1 = 100Pot – 45Pot = 55Pot
Percentualmente:
55Pot
= 0, 55 = 55%
100Pot
12 D
A água mais fria é mais densa e tende a descer, enquanto a água
mais quente é menos densa e tende a subir, portanto o arranjo mais
adequado é o D.
13 D
14 A
Transformação adiabática é aquela em que não há troca de calor (Q = 0) e
isobárica é aquela em que a pressão p permanece constante, logo p = 0.
W = áreaciclo = b . h = 2 V0 . 2 p0 = 4 p0 . V0  W = 4 nRT0
 = W/Qrecebido = 4 nRT0 / 18 nRT0 = 4/18  0,22 = 22%
14 A
15 C
A entropia aumenta, uma vez que esta transformação é irreversível.
16 C
A entropia aumenta, pois o processo é irreversível.
W = 0, pois V permanece constante.
U = Ufinal – Uinicial = 600 – 200 = 400 cal
U = Q – W  Q = U + W = 400 + 0 = 400 cal
Qv = n .cV . T  400 = 1 . cV . 100  cV = 4 cal/goC
15 A
TC ă BLOCO
06
01 B
Os projetos nucleares em sua grande maioria não têm fins militares,
mas fins energéticos.
02 B
Os rejeitos das reações de fissão nuclear emitem radiação por milhares
de anos.
03 E
O calor não aproveitado na geração de energia elétrica é liberado para
o ambiente externo, no condensador.
04 D
7/21 = 1/3  33%
05 D
I. (V) É o vapor obtido a partir da água contida na caldeira, aquecida pela energia térmica liberada na fissão nuclear, que aciona a
turbina.
II. (V) De acordo com a lei de Faraday.
III. (F) A água é resfriada no condensador.
06 A
A água é aquecida por receber calor do vapor d’água, quando este
condensa.
FÍSICA II
AP 2013 FIS II V2 RESOLUÇÃO.indd 17
Na transformação isotérmica a temperatura é constante, logo não há
variação da energia interna (U = 0).
De acordo com a 1a Lei da Termodinâmica, temos U = Q – W, logo
0 = Q – W  Q = W  Q = área (p x V).
É fácil perceber que o trecho em que a área sob o gráfico é maior é o
trecho I, então este é o trecho em que há maior troca de calor.
16 D
Como o trabalho realizado pelo gás equivale à área sob o gráfico p x V,
temos W1 > W2 > W3.
17 B
Transformação isotérmica  Tcte  Ucte U = 0 
U1 = U2 = U3 = 0
W = área p x V  W1 > W2 > W3
TC ă BLOCO
07
01 E
Dados: P = 1 kW = 103 W; t = 1 h = 3,6  103 s; h = 72 m; g = 10
m/s2; dágua = 1 kg/L.
A energia consumida pelo ferro de passar em 1 hora deve ser igual à
variação da energia potencial de uma massa m de água.
Então:
DEágua = DEferro
&
mgh = PDt
&
PDt
103 # 3, 6 # 103
=
= 5.000 kg
m=
gh
10 # 72
V = 5.000 L.
&
Ciências da Natureza e suas Tecnologias
FÍSICA – Volume 02
17
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Para calcular a área do coletor, basta uma simples regra de três:
" 1m2
800 W
9, 3 # 104
= 116, 25 m2.
A=
*
4
800
9, 3 # 10 W " A
02 D
03 21
(01 + 04 + 16) = 21
Calculando o comprimento (d) do coletor:
A = d L  116,25 = d(6)  d  19 m.
Resolução
Leve em consideração:
5 = Q2/W  Q2 = 5.W
Q 1 = Q2 + W = 5 . W + W = 6 . W
10 D
mgh
W
= V.i "
= V.i " Dt
Dt
Dt
mgh
3.000 x 10 x 6
=
= 100.000 s , 28 h
Dt =
Vi
9 x 0, 2
P=
04 A
Aplicando os dados direto na equação de Einstein:
E = m0c2
11 C
Montemos uma tabela com as reduções propostas em cada opção:
2,0  106  3,6  106 = m0 (3 108)2
m0 = 8 10–5 Kg
m0 = 0,08 g
APARELHO(S)
05 A
Um mol de U-235 tem massa 235 g (M = 235 g/mol). Calculemos
então quantos mols há em 1 kg (1.000 g).
m
1.000
=
= 4, 23mols.
n=
M
235
Para calcular a quantidade de átomos (N), basta multiplicar pelo
número de Avogadro.
N = 4,23  6  1023  N = 2,55  1024
lâmpadas
10
8
25
2 kWh
lâmpadas
10
2
100
2 kWh
condicionador
1
2
2.000
4 kWh
lâmp + cond.
10
1
1
1
100
2.000
3 kWh
lâmpadas
2
8
8
2
100
100
3,2 kWh
Como cada átomo libera 208 MeV é 1 eV = 4,45 × 10
kWh A,
energia liberada por essa quantidade de átomos, em kWh, é:
E = 2,55  1024  208  4,45  10–20  E = 2,36  107 kWh.
12 A
Como em 1 mês são consumidos 230 kWh, o tempo pedido é:
2, 36 # 107
102.620
= 102.620 meses =
t=
anos &
230
12
t = 8.551 anos.
13 C
−20
Ou seja, mais de 8.000 anos.
06 E
ER = 300 kWh = 300  103  (J/s)  3.600 s = 1.080.000 103 J =
1,08  109 J
EC = 180  30.000 = 5.400.000 kJ = 5,4  109 J
5, 4 # 109
=5
EC/ER =
1, 08 # 109
07 E
Os sistemas que já apresentam alto rendimento não têm muito mais
para crescer, leve-se em conta ainda que melhorar o que já é bom é
muito mais difícil. Por outro lado, os de rendimento mais baixo são
os que têm mais margem para crescimento e, por isso, seriam mais
beneficiados com o investimento em pesquisa, ou seja, dariam um
retorno maior para o investimento. Das opções apresentadas, a célula
solar (E), é a que se encaixa no perfil.
08 E
O enunciado, antes das opções, especifica: “A opção que detalha o que
ocorre em cada etapa é:” Porém, nenhuma das opções detalha o que
ocorre em cada etapa, mas sim, o que ocorre em uma ou em outra
etapa. A opção correta deveria conter todo o texto abaixo.
Etapa I – A energia potencial da água transforma-se em energia
cinética da própria água, que transfere energia cinética de rotação às
turbinas, gerando energia elétrica.
Etapa II – A energia elétrica é transportada por condutores, havendo
dissipação por efeito Joule na rede de transmissão.
Etapa III – O sistema de bombeamento transforma energia elétrica em
cinética e potencial gravitacional para a água, havendo dissipações por
atrito na tubulação e por efeito Joule no circuito elétrico do motor.
09 A
Dados: Intensidade da radiação captada, l = 800 W/m2; largura do
coletor, L = 6 m; calor específico da água, c = 4.200 J/(kg.°C); massa
de água, m = 1.000 kg; tempo de aquecimento, t = 1 h = 36 102 s;
variação de temperatura, T = 80 °C.
Quantidade de calor necessária para aquecer a água: Q = m c T =
(1.000)(4.200)(80) = 336 106 J.
Q
336 # 106
=
= 9, 3 # 104 W.
Potência recebida: P =
Dt
36 # 102
18
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HORAS
POTÊNCIA
QUANT
ECONOMIA
REDUZIDAS DESLIGADA
(N)
N X DT X DP
(DT)
(DP)
I. Energia cinética associada ao movimento da mochila.
II. Energia elétrica obtida pela transformação da energia cinética.
14 C
15 E
Nem toda energia é plenamente utilizável. A entropia de um sistema
nos permite dimensionar quanto dessa energia é aproveitável, ou seja,
conversível em trabalho útil.
16 C
I. Incorreta.
A fissão é usada para produzir calor e aquecer a água no reator, como
na afirmativa (II)
II. Correta.
III. Correta.
IV. Incorreta.
Recentemente foi descoberta no sul da Índia a mina Tumalapalli, a
maior reserva natural de urânio do mundo, estimada em 150 mil
toneladas.
17 B
Dados: m = 3,6 . 104 kg; M = 18 g = 18 . 10–3 kg; R = 8 . 10–2 atm .
L/mol; T = 227oC = 5 . 102 K; P = 30 atm.
Usando a equação de Clapeyron:
m
mRT
3, 6 # 104 # 8 # 10-2 # 5 # 102
=
PV =
RT & V =
M
MP
18 # 10-3 # 30
6
V = 2, 67 # 10 L.
&
18 C
Dados: 0 = 20°C;  = 40°C; Z = 10 L/min;  = 1 kg/L; 1 cal = 4,2 J; c
= 1 cal/g . °C  c = 4,2 J/g . °C.
A massa de água que passa pelo chuveiro a cada minuto é:
m
t=
& m = t V = 1 _10 i & m = 10 kg = 10.000 g.
V
A quantidade de calor absorvida por essa massa de água é:
Q = m c _i – i0 i = 10.000 _4, 2 i_40 – 20 i & 840.000 J.
Como essa quantidade de calor é trocada a cada minuto (60 s), vem:
Q
840.000
=
P=
& P = 14.000 W & P = 14 kW.
Dt
60
FÍSICA II
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