Física - CASD - Capítulo 02 - Calorimetria

8/14/2019 Física - CASD - Capítulo 02 - Calorimetria

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CASD Vestibulares Calorimetria 30

Assim, a equação acima se torna:

P .Z.(c. T L)

Explicitando a vazão Z, obtemos::

P Z

.( c. T L )

Substituindo os dados do problema e colo-cando todas as grandezas no SI, temos: (Lembrando que 1 cal/g = 4,2.10 3 J/kg)

3 3 3

800 Z

1.10 .(4,2.10 .80 540.4,2.10 )

7 3 Z 3,1.10 m / s Z 0,31ml / s

02. Um bloco de gelo, de massa igual a 50 kg e a 0ºC,é empurrado por uma força hori-zontal, sobre um piso

também horizontal e a 0ºC. O bloco é empurrado comvelocidade constante, percorrendo uma distância de20m. Observa-se que 25 gramas do gelo se fundem.Admitindo-se que todo o calor gerado pelo atrito foiabsorvido pelo gelo, calcule o coeficiente de atritocinético entre o bloco e o piso.Considere g = 10 m/s2 e 1cal = 4,2 JResolução:

Iremos utilizar nossos conhecimentos de Mecânica para resolver este problema.Este problema poderia ser bastante compli-cado caso não façamos algumas considera-ções:

1) Consideramos que todo o sistema está a 0ºC,incluindo o solo, ar, quem empurra o bloco, etc. Assim,tudo está em equilíbrio térmico e não haverá fluxo de calor sensível. O único tipo de calor gerado é pelo atrito, que será inteiramente consumido como calor latente para derretimento de parte do gelo.2) Consideraremos que a força exercida em todo o percurso é constante, não variando, em função de um gradual derretimento do gelo (O peso do bloco diminui muito pouco).A energia gerada pelo atrito é medida pelo trabalho realizado pela força de atrito cinético.

atrito c c F .d .N.d .m.g.d Substituindo os dados disponíveis, obtemos:

c c .50.10.20 10000 A energia (calor) consumida pelo derretimen-to de parte do gelo é dada por:

Q m.L 25.80 Q 2000 cal

Colocando em joules: Q 8400 J

Igualando a energia gerada pelo atrito com a consumida pela fusão do gelo, temos:

c Q 8400 10000

c 0,84

Exercícios

Nível 101. (UEBA) O calor específico sensível de umasubstância indica o valor:a) do seu ponto de ebulição ao nível do marb) da capacidade térmica de um corpo feito com essasubstância

c) da quantidade de calor necessária para elevar deum grau Celsius a temperatura de um grama dessasubstânciad) de sua condutividade térmica no estado sólidoe) da quantidade de calor necessária para fundir umgrama dessa substância

02. (UFPR) Dois corpos de massas diferentes estãoinicialmente em contato térmico, de modo que suastemperaturas são iguais. Em seguida isola-se um dooutro e ambos recebem a mesma quantidade de calorde uma fonte térmica. A respeito de suas temperaturasimediatamente após esta operação, é correto afirmar

que:01) Devem ser iguais02) Serão iguais se os dois corpos tiverem igualvolume04) Seriam iguais de suas capacidades calorífi-casfossem iguais.08) Somente seriam iguais se o calor específicosensível de um corpo fosse igual ao outro.16) Seriam as mesmas se os corpos tivessem amesma massa e o mesmo calor específico sensível.

03. (MED. POUSO ALEGRE-MG) O calor espe-cíficosensível do chumbo é 0,030 cal/goC enquanto que odo ferro é 0,10cal/g

o

C. Isso significa que:a) Se fornecemos a mesma energia calorífica a 1kg deferro e a 1kg de chumbo, o chumbo aquecerá mais.b) Se 1kg de chumbo a 100oC e 1 kg de ferro a 100oCsão colocados para esfriar até atingirem a temperaturaambiente, o chumbo liberará maior quantidade deenergia calorífica para o ambientec) Para a mesma quantidade desses materiais, é maisfácil (menor gasto de energia) aquecer o ferro do queaquecer o chumbo até uma determinada temperatura.d) Para efeitos de aquecimento podemos dizer que100g de ferro equivalem a 30g de chumbo.e) Se o calor específico sensível do ferro é maior doque o do chumbo, a capacidade térmica do ferrotambém será maior do que a do chumbo.

04. (UFPR) Durante o eclipse, em uma das cidades nazona de totalidade, Criciúma-SC, ocorreu uma quedade temperatura de 8,0oC (Zero Hora – 04/11/94).Sabendo que o calor específico sensível da água é 1,0cal/goC, a quantidade de calor liberada por 1000g deágua, ao reduzir sua temperatura de 8,0oC, em cal, é:a) 8 b) 125 c) 4000 d) 8000 e) 64000

05. (MACK) Um corpo de certo material com 200g, aoreceber 1000 cal aumenta sua temperatura de 10oC.Outro corpo de 500g, constituído do mesmo material,terá capacidade térmica de:a) 50cal/ oC b) 250cal/ oC c) 150cal/ oCd) 100cal/ oC e) 300cal/ oC



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06. (UFSE) A tabela abaixo apresenta a massa m decinco objetos de metal, com seus respectivos caloresespecíficos sensíveis c.

Metal c (cal/goC) m (g)Alumínio 0,217 100

Ferro 0,113 200Cobre 0,093 300Prata 0,056 400

Chumbo 0,031 500O objeto que tem maior capacidade térmica é de:a) alumínio b) prata c) chumbo d) ferro e) cobre

07. (UNISA-SP) O gráfico representa a tempera-turade uma amostra, de massa 100g, de uma substânciaem função da quantidade de calor por ela absorvida. Ocalor específico sensível dessa substância, emcal/goC, é:a) 0,10 b) 0,20c) 0,40d) 0,60e) 0,80

08. (MACK) Uma fonte calorífica fornece calorcontinuamente, à razão de 150 cal/s, a umadeterminada massa de água. Se a temperatura daágua aumenta de 20oC para 60oC em 4 minutos, pode-se concluir que a massa de água aquecida, emgramas, é:a) 500 b) 600 c) 700 d) 800 e) 900

09. (FUVEST) Um ser humano adulto e saudávelconsome em média, uma potência de 120J/s. Uma“caloria alimentar” (1kcal) corresponde,

aproximadamente, a 4,0.103

J. Para nos manter-mos saudáveis, quantas “calorias alimentares”devemos utilizar, por dia, a partir dos alimentos queingerimos?a) 33 b) 120 c)2.6.103 d) 4,0.103 e) 4,8.105

10. (FGV-SP) Colocam-se 500 gramas de água a100oC dentro de uma garrafa térmica. O gráfico mostraa variação da temperatura da água no decorrer dotempo. Podemos afirmar que, entre os instantes T1 =1000s e T2 = 2000s, a água perdeu calor à razãomédia de, aproximadamente:

a) 0,85 joules/s b) 2,4 joules/s c) 10 joules/sd) 33 joules/s e) 42 joules/sDado:calor específico da água = 4.2 J/goC

11.(FUVEST) Dispõe-se de água a 800

C e gelo a 00

C.Deseja-se obter 100 gramas de água a umatemperatura de 400C (após o equilíbrio), misturandoágua e gelo em um recipiente isolante e com

capacidade térmica desprezível. Sabe-se que o calorespecífico latente de fusão do gelo é 80cal/g e o calorespecífico sensível da água é 1,0cal/goC. A massa degelo a ser utilizada é:a) 5g b) 12,5 c) 25g d) 33g e) 50g

12. (UFRJ) Misturam-se 100g de gelo a 00C com 100gde água a 00C, em 1000g de água a 140C em umrecipiente de capacidade térmica desprezível.Sabendo que o calor específico latente de fusão dogelo vale 80cal/g e que o calor específico sensível daágua vale 1,0 cal/g0C, calcule a temperatura deequilíbrio dessa mistura

13. (ITA) Num dia de calor, em que a temperaturaambiente era de 300C, João pegou um copo comvolume de 200cm3 de refrigerante à temperaturaambiente e mergulhou nele dois cubos de gelo demassa 15g cada um. Se o gelo estava à temperaturade – 40C e derreteu-se por completo e supondo que orefrigerante tem o mesmo calor específico sensívelque a água, a temperatura final da bebida de Joãoficou sendo aproximadamente de:Dado: densidade absoluta da água = 1,0 g/cm3a) 00C b) 120C c) 150C d) 200C e) 250C

14. (UFCE) O gráfico representa a variação detemperatura de uma amostra de 20g de um líquido, apartir de 0ºC, em função do calor por ela absorvido. Ocalor específico cL do líquido e seu calor específico cG na fase gasosa guardam a seguinte relação:a) cL = cGb) cL = cG /2c) cL = 2.cG d) cL = 2.cG /3e) cL = 3.cG

15. (PUC-PR) No interior de um calorímetro adiabáticocontendo 500g de água a 20ºC, são colocados 100gde chumbo a 200ºC. O calor específico da água é 1cal/gºC e o do chumbo é 0,031 cal/gºC. A temperaturafinal de equilíbrio é aproximadamente:a)31ºC b)28,4ºC c)25,3ºC d) 23,5ºC e) 21,1ºC16. (ITA) Um bloco de massa m1 e calor específicosensível c1, à temperatura T1, é posto em contato comum bloco de outro material, com massa, calorespecífico sensível e temperatura respectivamente m2,c2 e T2. Depois de estabelecido o equilíbrio térmicoentre os dois blocos, sendo c1 e c2 constantes esupondo que as trocas de calor com o resto douniverso sejam desprezíveis, a temperatura final Tdeverá ser igual a:

a)21

1211

mm

TmTmb) 12

2211

2211 TTcmcm

cmcm

c)21

2211

cc

TcTcd)

2211

222111

cmcm

TcmTcm

17. (FATEC - SP) O calor específico da água é 1,0g/ºC e o seu calor latente de vaporização é 540 cal/g.Sob pressão normal, uma chama constante gasta 1



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minuto para elevar a temperatura de uma certa massade água de 40ºC a 100ºC. Desde o início davaporização até o seu final, decorrem:a) 6 min b) 9 min c) 12 min d)15 min e) 30 min18. (Mack) Colocam-se, num mesmo recipiente, 0,3 kgde gelo a 0°C, 1,8kg de água a 10°C e 0,15 kg devapor d’água a 100°C. Calcular a temperatura deequilíbrio. Dados: Calor de fusão do gelo: 80 cal/g.Calor de vaporização: 540 cal/g.

Nível 2 – Aprofundamento01. (FUVEST) Um recipiente de isopor, que é um bomisolante térmico, tem em seu interior água e gelo emequilíbrio térmico. Num dia quente, a passagem decalor por suas paredes pode ser estimada, medindo-sea massa de gelo Q presente no interior do isopor, aolongo de algumas horas, como representado nográfico. Esses dados permitem estimar a transferênciade calor (em kJ/h) pelo isopor, como sendo,aproximadamente de:

Calor latente de fusão do gelo ≈ 320 kJ/kg

02. (VUNESP) Massas iguais de água e óleo foramaquecidas num calorímetro, separada-mente, por meiode uma resistência elétrica que forneceu energiatérmica com a mesma potência constante, ou seja, emintervalos de tempo iguais cada uma das massasrecebeu a mesma quantidade de calor. Os gráficos nafigura representam a temperatura desses líquidos nocalorímetro em função do tempo, a partir do instanteem que se iniciou o aquecimento.

a) Qual das retas, I ou II, é a da água, sabendo-se queseu calor específico sensível é maior que o do óleo?Justifique sua resposta.b) Determine a razão entre calores específicossensíveis da água e do óleo, usando os dados dográfico.

03. (UNICAMP) Um aluno simplesmente sentadonuma sala de aula dissipa uma quantidade de energiaequivalente à de uma lâmpada de 100W.O valor energético da gordura é de 9,0kcal/g. Parasimplificar adote 1,0 cal = 4,0 J.a) Qual o mínimo de kilocalorias que o aluno deveingerir por dia para repor a energia dissipada?b) Em média, quantas calorias por segundo a águatransferiu para o ambiente.

04. (FUVEST) Um recipiente contendo 3600g de águaà temperatura inicial de 800C é posto num local onde atemperatura ambiente permanece sempre igual a20oC. Após 5 horas, o recipiente e a água entram emequilíbrio térmico com o meio ambiente. Durante esseperíodo, ao final de cada hora, as seguintestemperaturas foram registra-das para a água: 550C,400C, 300C, 240C e 200C. Pede-se:Dado: calor específico da água = 1,0 cal/ oC.a) um esboço indicando valores nos eixos do gráficoda temperatura da água em função do tempo;b) em média quantas calorias por segundo a águatransferiu para o ambiente.

05. (FUVEST) O calor específico de um sólido, apressão constante, varia linearmente com a tem-peratura, de acordo com o gráfico abaixo:

Quala

quantida

dede

calor, emcalor

ias,nece

s-sária para aquecer 1,0g desse sólido de 100C até200C?

06. (EN – RJ) Uma barra de gelo de massa 100g a –200C é colocada num recipiente com 15g de águaliquida a 100C. Sabe-se que o calor específico sensíveldo gelo vale 0,55 cal/g0C, o calor específico latente defusão do gelo, 80cal/g e o calor específico sensível daágua líquida, 1,0 cal/g0C. Qual a temperatura deequilíbrio?

07. (UnB) Um pedaço de 100g de gelo, inicialmente àtemperatura de –300C, é imerso em 400g de água cujatemperatura é de 250C. A mistura é agitada até que umestado final de equilíbrio seja alcançado. Supondoque não hajatroca de energia térmica entre o sistema e o seurecipiente, qual a temperatura final de equilíbrio?Dados:calor específico sensível da água: 1,0cal/g0Ccalor específico sensível do gelo: 0,50cal/g0Ccalor específico latente de fusão do gelo: 80cal/g

08. (FUVEST) As curvas A e B na figura representama variação da temperatura (T) em função do tempo (t)de duas substâncias A e B, quando 50 g de cada umaé aquecida separada-mente, a partir da temperaturainicial de 20ºC, na fase sólida, recebendo calor numataxa constan-te de 20 cal/s. Considere agora umexperimento em que 50 g de cada uma dassubstâncias são colocadas em contato térmico num

recipiente termicamente isolado, com a substância Ana temperatura inicial TA = 280ºC e a substância B natemperatura inicial TB = 20ºC.



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a) Determine o valor do calor latente de fusão LB dasubstância B.b) Determine a temperatura de equilíbrio do conjunto nofinal do experimento.c) Se a temperatura final corresponder à mudança defase de uma das substâncias, determine a quantidadeda mesma em cada uma das fases.

09. (Desafio) Um calorímetro cujo vaso de alumíniotem massa de 200g, contém 500g de água, tudo a20ºC. Uma amostra de granalha de alumínio, com300g, é aquecida a 100ºC e depois transferida para ocalorímetro.a) Sendo o calor específico do alumínio dado por0,900 kJ/kg.K, determine a temperatura final dosistema, admitindo que não haja perdas térmicas parao ambiente.b) O erro provocado pela transferência de calor entre ocalorímetro e suas vizinhanças pode ser minimizadose a temperatura inicial do caloríme-tro estiver ΔT W /2abaixo da temperatura ambien-te, sendo ΔT W avariação de temperatura da água do calorímetrodurante a medida calorimétrica. A temperatura final deequilíbrio, nestas circunstân-cias, estará ΔT W /2 acimado ambiente. Qual deve ser a temperatura inicial dovaso e da água do calorímetro, sendo 20ºC atemperatura ambi-ente?

Gabarito

Nível 1

1. c2. 20 (04 + 16)3. a4. d5. b6. e7. b8. e9. c10. e

11. c12. 5ºC13. c14. b

15. e16. d17. b18. θ

E= 40°C

Nível 2

1. 160 kJ/h2. a) II é água

b) 23. a) 2,16.103 kcal

b) 1084. b) 12 cal/s5. 5,50 cal6. 0ºC7. 1ºC8. a) LB = 24 cal/g

b) T = 80ºCc) ms = 33,3 g

ml = 16,7 g9. a) 28,5ºC

b) 15,5ºC

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