ExerciciosCalorimetria e Mudança de fases

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Calorimetria e Mudança de
fases
Parte I
1. (Uerj 2014) A energia consumida por uma pessoa adulta
em um dia é igual a 2 400 kcal.
Determine a massa de gelo a 0°C que pode ser totalmente
liquefeita pela quantidade de energia consumida em um dia
por um adulto. Em seguida, calcule a energia necessária
para elevar a temperatura dessa massa de água até 30°C.
2. (Uerj 2014) Um sistema é constituído por uma pequena
esfera metálica e pela água contida em um reservatório. Na
tabela, estão apresentados dados das partes do sistema,
antes de a esfera ser inteiramente submersa na água.
Partes do sistema
esfera
metálica
água do
reservatório
Temperatura
inicial (°C)
Capacidade
térmica
(cal/°C)
50
2
30
2000
A temperatura final da esfera, em graus Celsius, após o
equilíbrio térmico com a água do reservatório, é cerca de:
a) 20
b) 30
c) 40
d) 50
3. (Espcex (Aman) 2014) Em uma casa moram quatro
pessoas que utilizam um sistema de placas coletoras de um
aquecedor solar para aquecimento da água. O sistema
eleva a temperatura da água de 20°C para 60°C todos os
dias.
Considere que cada pessoa da casa consome 80 litros de
água quente do aquecedor por dia. A situação geográfica
em que a casa se encontra faz com que a placa do
aquecedor receba por cada metro quadrado a quantidade
de 2,016 ⋅ 108 J de calor do sol em um mês.
Sabendo que a eficiência do sistema é de 50%, a área da
superfície das placas coletoras para atender à demanda
diária de água quente da casa é de:
Dados:
Considere um mês igual a 30 dias
Calor específico da água: c=4,2 J/g °C
Densidade da água: d=1 kg/L
2
a) 2,0 m
2
b) 4,0 m
2
c) 6,0 m
2
d) 14,0 m
2
e) 16,0 m
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4. (Unicamp 2013) A boa ventilação em ambientes
fechados é um fator importante para o conforto térmico
em regiões de clima quente. Uma chaminé solar pode ser
usada para aumentar a ventilação de um edifício. Ela faz
uso da energia solar para aquecer o ar de sua parte
superior, tornando-o menos denso e fazendo com que ele
suba, aspirando assim o ar dos ambientes e substituindo-o
por ar vindo do exterior.
a) A intensidade da radiação solar absorvida por uma placa
2
usada para aquecer o ar é igual a 400 W/m . A energia
2
absorvida durante 1,0 min por uma placa de 2 m é
usada para aquecer 6,0 kg de ar. O calor específico do ar
J
é c = 1000
. Qual é a variação de temperatura do
kg °C
ar nesse período?
b) A densidade do ar a 290 K é ρ = 1,2 kg/m3 . Adotando-se
um número fixo de moles de ar mantido a pressão
constante, calcule a sua densidade para a temperatura
de 300 K. Considere o ar como um gás ideal.
5. (Pucrj 2013) Um líquido é aquecido através de uma
fonte térmica que provê 50,0 cal por minuto. Observa-se
que 200 g deste líquido se aquecem de 20,0 °C em 20,0
min.
Qual é o calor específico do líquido, medido em cal/(g °C)?
a) 0,0125
b) 0,25
c) 5,0
d) 2,5
e) 4,0
6. (Uerj 2013) Em um laboratório, as amostras X e Y,
compostas do mesmo material, foram aquecidas a partir da
mesma temperatura inicial até determinada temperatura
final.
Durante o processo de aquecimento, a amostra X absorveu
uma quantidade de calor maior que a amostra Y.
Considerando essas amostras, as relações entre os calores
específicos cX e cY, as capacidades térmicas CX e CY e as
massas mX e mY são descritas por:
a) cX = cY CX > CY mX > mY
b) cX > cY CX = CY mX = mY
c) cX = cY CX > CY mX = mY
d) cX > cY CX = CY mX > mY
7. (Unesp 2013) Determinada substância pura encontra-se
inicialmente, quando t = 0 s, no estado sólido, a 20 °C, e
recebe calor a uma taxa constante. O gráfico representa
apenas parte da curva de aquecimento dessa substância,
pois, devido a um defeito de impressão, ele foi
interrompido no instante 40 s, durante a fusão da
substância, e voltou a ser desenhado a partir de certo
instante posterior ao término da fusão, quando a
substância encontrava-se totalmente no estado líquido.
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água 1,0 cal/(g · ºC) e que a temperatura de equilíbrio
térmico atingida no calorímetro foi 30 ºC, determine:
a) a quantidade de calor absorvido pelo calorímetro e a
quantidade de calor absorvido pela água.
b) a temperatura final e o calor específico da barra.
Sabendo-se que a massa da substância é de 100 g e que seu
calor específico na fase sólida é igual a 0,03 cal/(g.°C),
calcule a quantidade de calor necessária para aquecê-la
desde 20 °C até a temperatura em que se inicia sua fusão, e
determine o instante em que se encerra a fusão da
substância.
8. (Uerj 2013) Considere duas amostras, X e Y, de materiais
distintos, sendo a massa de X igual a quatro vezes a massa
de Y.
As amostras foram colocadas em um calorímetro e, após o
sistema atingir o equilíbrio térmico, determinou-se que a
capacidade térmica de X corresponde ao dobro da
capacidade térmica de Y.
Admita que c X e c Y sejam os calores específicos,
respectivamente, de X e Y.
c
A razão X é dada por:
cY
1
4
1
b)
2
c) 1
d) 2
a)
9. (Enem 2013) Aquecedores solares usados em
residências têm o objetivo de elevar a temperatura da água
até 70°C. No entanto, a temperatura ideal da água para um
banho é de 30°C. Por isso, deve-se misturar a água
aquecida com a água à temperatura ambiente de um outro
reservatório, que se encontra a 25°C.
Qual a razão entre a massa de água quente e a massa de
água fria na mistura para um banho à temperatura ideal?
a) 0,111.
b) 0,125.
c) 0,357.
d) 0,428.
e) 0,833.
10. (Unifesp 2012) Um calorímetro de capacidade térmica
10 cal/ºC, contendo 500 g de água a 20 ºC, é utilizado para
determinação do calor específico de uma barra de liga
metálica de 200 g, a ser utilizada como fundo de panelas
para cozimento. A barra é inicialmente aquecida a 80 ºC e
imediatamente colocada dentro do calorímetro, isolado
termicamente. Considerando o calor específico da
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11. (Uerj 2012) Considere X e Y dois corpos homogêneos,
constituídos por substâncias distintas, cujas massas
correspondem, respectivamente, a 20 g e 10 g.
O gráfico abaixo mostra as variações da temperatura desses
corpos em função do calor absorvido por eles durante um
processo de aquecimento.
Determine as capacidades térmicas de X e Y e, também, os
calores específicos das substâncias que os constituem.
12. (Pucrj 2012) Um copo com 300 ml de água é colocado
ao sol. Após algumas horas, verifica-se que a temperatura
da água subiu de 10 °C para 40 °C.
Considerando-se que a água não evapora, calcule em
calorias a quantidade de calor absorvida pela água.
3
Dados: dágua = 1 g/cm e cágua = 1 cal/g °C
5
a) 1,5 × 10
5
b) 2,0 × 10
3
c) 3,0 × 10
3
d) 9,0 × 10
2
e) 1,2 × 10
13. (Pucrj 2012) Uma barra metálica, que está sendo
trabalhada por um ferreiro, tem uma massa M = 2,0 kg e
está a uma temperatura Ti. O calor específico do metal é cM
= 0,10 cal/g °C. Suponha que o ferreiro mergulhe a barra
em um balde contendo 10 litros de água a 20 °C. A
temperatura da água do balde sobe 10 °C com relação à sua
temperatura inicial ao chegar ao equilíbrio.
Calcule a temperatura inicial Ti da barra metálica.
3
Dado: cágua = 1,0 cal/g °C e dágua = 1,0 g/cm
a) 500 °C
b) 220 °C
c) 200 °C
d) 730 °C
e) 530 °C
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14. (Unesp 2012) Clarice colocou em uma xícara 50 mL de
café a 80 °C, 100 mL de leite a 50 °C e, para cuidar de sua
forma física, adoçou com 2 mL de adoçante líquido a 20 °C.
Sabe-se
se que o calor específico do café vale 1 cal/(g.°C), do
leite vale 0,9 cal/(g.°C), do adoçante vale 2 cal/(g.°C) e que
a capacidade
idade térmica da xícara é desprezível.
16. (Ufmg 2010) Considere estas informações:
• a temperaturas muito baixas, a água está sempre
semp na fase
sólida;
• aumentando-se
se a pressão, a temperatura de fusão da
água diminui.
Assinale a alternativa em que o diagrama de fases pressão
versus temperatura para a água está de acordo com essas
informações.
Considerando que as densidades do leite, do café e do
adoçante sejam iguais e que a perda de calor para a
atmosfera é desprezível, depois de atingido o equilíbrio
térmico, a temperatura final da bebida de Clarice, em °C,
estava entre
a) 75,0 e 85,0.
b) 65,0 e 74,9.
c) 55,0 e 64,9.
d) 45,0 e 54,9.
e) 35,0 e 44,9.
a)
b)
15. (Uftm 2012) Em uma choperia, o chope é servido à
razão de 1 litro por minuto. Em um dia, cuja temperatura é
de 24,5 °C, a bebida é introduzida na serpentina da
chopeira à temperatura ambiente e, dela, sai a 4 °C. A
capacidade da chopeira é de 20 kg de gelo, colocado sobre
a serpentina a −4 °C ( c gelo = 0,5 cal ( g ⋅ °C ) e
c)
L f = 80 cal g ). Considere dchope = 1,0 g cm3 e
c chope = 1,0 cal ( g ⋅ °C ) .
d)
Considerando que não há qualquer tipo de perda de
energia térmica entre o meio ambiente e a chopeira,
determine:
a) a massa de gelo que se converte em água, para cada litro
de chope retirado.
b) o intervalo de tempo necessário para que se reponha o
gelo, de modo a manter sempre a mesma temperatura
final do chope.
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17. (Pucmg 2010) Quando aquecemos água em nossas
casas utilizando um recipiente aberto, sua temperatura
nunca ultrapassa os 100 ºC. Isso ocorre porque:
a) ao atingir essa temperatura, a água perde sua
capacidade de absorver calor.
b) ao atingir essa temperatura,
tura, a água passa a perder
exatamente a mesma quantidade de calor que está
recebendo, mantendo assim sua temperatura constante.
c) as mudanças de fase ocorrem à temperatura constante.
d) ao atingir essa temperatura, a água começa a expelir o
oxigênio
o e outros gases nela dissolvidos.
18. (Ufop 2010) No gráfico abaixo, onde é mostrada a
temperatura T em função do tempo, são representados os
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processos de resfriamento de três materiais diferentes de
massas iguais. Os materiais foram colocados em um
u
congelador que pode extrair suas energias a uma certa taxa
constante.
Analisando o gráfico e sabendo que o resfriamento de cada
material começou no estado líquido e terminou no estado
sólido, é correto afirmar que
o material 2 é menor
a) a temperatura do ponto de fusão do
do que a temperatura do ponto de fusão do material 3.
b) o calor latente de fusão do material 1 é maior do que o
calor latente de fusão do material 2.
c) o calor específico no estado sólido do material 2 é maior
do que o calor específico
pecífico no estado sólido do material 1.
d) o calor específico no estado líquido do material 3 é maior
do que o calor específico no estado líquido do material 1.
TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO:
A tabela abaixo mostra a quantidade de alguns dispositivos
dispositi
elétricos de uma casa, a potência consumida por cada um
deles e o tempo efetivo de uso diário no verão.
Dispositivo
Quantidade
Potência
(kW)
Tempo
efetivo de
uso diário
(h)
arcondicionado
2
1,5
8
geladeira
1
0,35
12
lâmpada
10
0,10
6
20. (Fgv 2009) Como não ia tomar banho naquele
momento, um senhor decidiu adiantar o processo de
enchimento
nchimento de seu ofurô (espécie de banheira oriental),
deixando-o
o parcialmente cheio. Abriu o registro de água
fria que verte 8 litros de água por minuto e deixou-o
deixou
°
derramar água à temperatura de 20 C, durante 10 minutos.
No momento em que for tomar seu banho,
b
esse senhor
°
abrirá a outra torneira que fornece água quente a 70 C e
que é semelhante à primeira, despejando água na mesma
proporção de 8 litros por minuto sobre a água já existente
°
no ofurô, ainda à temperatura de 20 C. Para que a
°
temperatura da água
gua do banho seja de 30 C,
desconsiderando perdas de calor para o ambiente e o
ofurô, pode-se
se estimar que o tempo que deve ser mantida
aberta a torneira de água quente deve ser, em minutos,
a) 2,5.
b) 3,0.
c) 3,5.
d) 4,0.
e) 4,5.
Parte II
1. (Ufjf 2011) Um funcionário de uma lanchonete precisa
aquecer 1,0 litro de água que, inicialmente, está à
temperatura ambiente T0 = 25º C.
C Para isso, ele utiliza o
ebulidor de água, mostrado na figura abaixo, que possui
uma resistência R =12,1 Ω e é feito para funcionar com a
diferença de potencial V = 110 Volts .
Considere os seguintes valores:
3
• densidade absoluta da água: 1,0 g/cm
-1
-1
• calor específico da água: 1,0 cal.g 0C
• 1 cal = 4,2 J
• custo de 1 kWh = R$ 0,50
19. (Uerj 2010) No inverno, diariamente, um aquecedor
elétrico é utilizado para elevar a temperatura de 120 litros
de água em 30 ºC.
Durante 30 dias do inverno, o gasto total com este
dispositivo, em reais, é cerca de:
a) 48
b) 63
c) 96
d) 126
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Ele mergulha o ebulidor dentro da água, liga-o
liga e sai para
atender um cliente.
a) Calcule o tempo para a água atingir a temperatura T0 =
100ºC.
b) Calcule o tempo para a água
gua evaporar completamente.
c) Esboce o gráfico da temperatura em função do tempo
para o processo de aquecimento e vaporização da água.
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2. (Ufjf 2010) Com a finalidade de se fazer café, um
recipiente com 0,5 L de água é aquecido em um fogão.
o
o
A temperatura da água aumenta desde 25 C até 100 C.
Considere para a água: densidade
ρ =1,0 kg / L; calor latente de vaporização L υ = 540 cal/ g;
o
calor específico c = 1,0 cal / g C .
a) Calcule a quantidade de calor cedida à água, para que
o
o
sua temperatura aumente desde 25 C até 100 C.
b) Supondo que a quantidade de calor total cedida à água,
até o momento em que se apaga a chama do fogão, foi
de 145500 cal, calcule o volume de água, em litros, que
ficou no recipiente para ser utilizada no preparo do café.
3. (Ufjf 2007) Considere uma pessoa que consuma 1200
kcal de energia diariamente e que 80% dessa energia seja
transformada em calor. Se esse calor for totalmente
transferido para 100 kg de água, qual variação de
temperatura ocorreria na água? (1 cal = 4,18 J, calor
específico da água = 4,18 kJ/kg.K).
°
a) 1,0 C.
°
b) 9,6 C.
°
c) 1,2 C.
°
d) 8,0 C.
°
e) 10 C.
4. (Ufjf 2007) Um bloco de gelo com 5 kg de massa
°
encontra-se a - 20 C.
-1 °
-1
Dados: calor específico: gelo (cg = 0,50 cal g ( C) ),
-1 ° -1
chumbo (cc = 0,031 cal g ( C) )
-1
calor latente de fusão: gelo (Lg = 80 cal g ), chumbo (Lc =
-1
5,9 cal g )
°
temperatura de fusão: gelo (Tg = 0 C), chumbo (Tc = 327,3
°
C)
a) Calcule a quantidade de calor necessário para derreter
completamente o bloco de gelo.
b) Com o calor necessário para derreter o bloco de gelo
calculado no item acima, qual seria a massa de um bloco
de chumbo que poderia ser derretido, se esse bloco de
°
chumbo estivesse inicialmente, também a - 20 C?
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c) A que grandeza(s) física(s) você atribui essa diferença na
massa que você calculou no item b)?
5. (Ufjf 2006) Um bloco de chumbo de 6,68 kg é retirado de
°
um forno a 300 C e colocado sobre um grande bloco de
°
gelo a 0 C. Supondo que não haja perda de calor para o
meio externo, qual é a quantidade de gelo que deve ser
fundida?
°
Dados: calor específico do gelo a 0 C = 2100 J/(kg.K)
3
calor latente de fusão do gelo = 334 x 10 J/kg calor
específico do chumbo = 230 J/(kg.K)
3
calor latente de fusão do chumbo = 24,5 x 10 J/kg
°
temperatura de fusão do chumbo = 327 C
6. (Ufjf 2002) Quando uma pessoa cozinha um ovo numa
vasilha com água, pode diminuir a intensidade da chama do
fogo que aquece a vasilha tão logo a água começa a ferver.
Baseando-se na Física, assinale a alternativa que explica
porque a pessoa pode diminuir a intensidade da chama e
ainda assim a água continua a ferver.
a) Durante a mudança de estado, a quantidade de calor
cedido para a água diminui e sua temperatura aumenta.
b) Durante a mudança de estado, a quantidade de calor
cedido para a água e sua temperatura diminuem.
c) Apesar do calor estar sendo cedido mais lentamente, na
mudança de estado, enquanto houver água em estado
líquido na vasilha, sua temperatura não varia.
d) O calor é cedido mais lentamente para a água,
aumentando a temperatura de mudança de estado da
água.
e) O calor é cedido mais lentamente para a água,
diminuindo a temperatura de mudança de estado da
água.
7. (Ufjf 2002) Um aluno do ensino médio foi passar o
carnaval numa cidade praiana e notou que, quando ia
esquentar água para cozinhar, esta entrava em ebulição à
°
temperatura de 100 C. Nas férias de julho, este mesmo
aluno foi acampar no Parque Estadual da Serra do Ibitipoca,
que fica a uma altitude próxima de 1700 m. Lá, notou que a
água entrava em ebulição a uma temperatura menor que
°
100 C. Explique, baseado na Física, porque isto ocorre.
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