Aula 17

Introdução à Física Clássica II

Prof. Ronai Lisbôa

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Objetivos

Ao final dessa aula você deve se capaz de:

Bibliografia

Sears & Zemansky - Vol. 2 - 14a. edição.

Capítulo 17 - Temperatura e Calor

Seções: 17.5, 17.6., 17.7

Reconhecer o calor como um mecanismo de transferência de energia;

Calcular o calor devido a uma diferença de temperaturas.

Calcular o calor devido a uma mudança de fase.

Mecanismos de transferência de calor.

Motivação

O custos de resfriamento de um data-center ou de clusters é superior ao da própria máquina!

Fonte: https://umsoplaneta.globo.com

Fonte: Folha de São Paulo, 2016

Motivação

O sistema de resfriamento de um computador é um grande problema de engenharia.

A fonte de alimentação do Apple II foi outra revolução.

Jobs queria evitar a necessidade de um ventilador e encomendou a construção de uma nova fonte ao engenheiro Rod Holt da Atari. Holt construiu uma fonte de energia comutável, que ligava e desligava milhares de vezes o que possibilitava armazenar a energia por muito menos tempo e consequentemente liberava menos calor.

Fonte: Apple.com

Obviamente o ventilador consome energia. Logo, é prudente o desenvolvimento de dissipadores passivos.

Fonte: CNPS FX100-Cube. Zalman

ativo

passivo

Fonte: Bauer

Há dissipadores passivos (condução e radiação) e ativos (convecção):

passivos => metal e com grande área.

ativos => ventiladores e fluidos.

Calor

Qual será a sua percepção ao tocar cada uma das chapas que estão em um mesmo ambiente?

Provavelmente, você vai dizer que a chapa metálica parece mais fria e a chapa de madeira mais quente. Esta será sua sensação térmica baseada em uma percepção de conforto térmico.

A sensação de frio é porque está a uma temperatura superior ao meio. Por outro lado, se a sensação de calor é porque está a uma temperatura inferior ao meio. Correto?

Calor

Do ponto de vista científico, o conceito de calor significa:

O sentido da transferência espontânea de energia (calor) é sempre do corpo que está mais quente (temperatura alta) para um vizinho mais frio (temperatura baixa).

A energia que é transferida de uma região para outra por causa de uma diferença de temperatura entre elas.

Essa transferência de energia devido a diferença de temperaturas (CALOR) pode ocorrer por diversos mecanismos de transferência de calor:

Fonte: interferenciafisica.blogspot.com

Fonte: interferenciafisica.blogspot.com

Fonte: interferenciafisica.blogspot.com

condução

convecção

radiação

Calor

Dados dois sistemas A e B, em contato térmico com uma parede diatérmica é possível observar três fenômenos distintos.

O que determina o sentido do fluxo de energia, isto é, o calor?

Cortesia: Prof. André Bessa.

Calor

Qual é mesmo o sentido do calor?

A temperatura é uma medida que nos ajuda a ordenar os estados dos sistemas de acordo com o sentido espontâneo do fluxo de calor.

Cortesia: Prof. André Bessa.

Cortesia: Prof. André Bessa.

Cortesia: Prof. André Bessa.

Calor

Calor é energia transferida em razão de uma diferença de temperatura.

Espontaneamente, o calor sempre flui do corpo mais quente para o corpo mais frio.

A temperatura do corpo quente é maior que a temperatura do corpo frio.

Evite ao máximo as expressões equivocadas, como:

O sistema A tem mais calor que B.

O calor que era de A vai para B.

A temperatura de A é mais quente que a de B.

O sistema A trocou calor com B.

QUENTE

FRIO

CALOR É UM PROCESSO de transferência de energia!

Calor

A temperatura é uma medida que nos ajuda a ordenar os estados dos sistemas de acordo com o sentido espontâneo do fluxo de calor.

Podemos afirmar a partir da leitura do termômetro que a temperatura é tal que:

T_A > T_B

Podemos afirmar a partir da leitura do termômetro que há uma transferência de energia de A para B.

O calor é um processo de transferência de energia devido à uma diferença de temperatura.

Capacidade térmica

Suponha que uma barra de alumínio esteja à temperatura ambiente. Se o calor \(Q\), for transferido para a barra, sua temperatura aumenta proporcionalmente à quantidade de calor.

A capacidade térmica é a proporcionalidade entre o calor e a diferença de temperatura,

Q\propto\Delta T

Q=C\Delta T

Uma vez que CALOR É ENERGIA sua unidade é joules (J) ou calorias (cal) e a temperatura é uma medida do grau de aquecimento sua unidade é dadas em kelvin (K) ou celsius (\(^o\)C). Então, a unidade da capacidade térmica é

C\equiv \frac{\text{joule}}{\text{kelvin}}

energia

temperatura

grandezas diferentes

proporcionalidade permite igualar grandezas diferentes

\equiv \frac{\text{caloria}}{^o\text{celsius}}

Capacidade térmica

Capacidade térmica é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura do corpo por uma determinada quantidade.

Para elevar a temperatura (\(\Delta T\)) a quantidade de calor transferida (\(Q\)) depende da massa e da substância do corpo.

Fonte: https://youtu.be/sINAwZhtlVQ

C=\frac{Q}{\Delta T}

Fonte: https://youtu.be/bH2eBu6lKUE

C_1\Delta T_1 = C_{1/2}\Delta T_{1/2}

\Delta T_1 < \Delta T_{1/2}

C_1>C_{1/2}

C_{\text{água}}>C_{ar}>C_{areia}

\Delta T_{\text{água}} < \Delta T_{\text{ar}} < \Delta T_{areia}

Q_1=Q_{1/2}

\Rightarrow

Q_{ar}=Q_{água}=Q_{areia}

Calor específico

É mais difícil variar a temperatura da água ou do cobre?

Evidentemente, é mais difícil variar a temperatura de 10 kg de aço do que de 1 gota de água, devido à enorme diferença de massa.

Para eliminarmos o efeito da massa, devemos comparar massas iguais de diferentes substâncias, o que nos leva ao conceito de calor específico.

Se um sistema é composto de \(m\) kg de uma substância, define-se o calor específico da substância por meio de:

c(T)=\frac{C(T)}{m}

J/(kg.K) ou cal/(g\(^o\)C)

Grandeza

Unidades

Fonte: Free-pic

Fonte: https://youtu.be/0NBGoySNsBk

Calor sensível

Define-se como calor sensível uma quantidade de calor que provoca uma variação da temperatura de uma substância sem mudança de fase.

A quantidade de calor sensível (\(Q\)) necessária para elevar a temperatura (\(\Delta T\)) de alguma substância de massa (\(m\)) é proporcional à massa e à natureza (\(c\)) da substância:

Q=C\Delta T

A unidade do calor é o joule (J) ou caloria (cal) é definida como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um grama de água de 14,5 °C a 15,5 °C.

1\text{ cal} = 4,186\text{ J}

1\text{ kcal} = 4186\text{ J}

Q=mc\Delta T

O BTU (British thermal unit) é a unidade de calor necessária para elevar a temperatura de uma libra de água de \(1^o\) F, de \(63^o\) F até \(64^o\) F. 1 BTU = 252 cal = 1055 J.

Calor sensível e calor específico

A equação para o calor sensível atesta que:

isto é, ao aquecer água para fazer café, precisa do dobro da quantidade de calor para fazer duas xícaras em vez de uma porque você tem o dobre de massa de água, se a variação de temperatura for a mesma.

Q=mc\Delta T

\Delta T = 80^o\text{ C}

Q = 1952\text{ J}

\Delta T = 80^o\text{ C}

Q = 3904\text{ J}

O calor específico do café é algo no intervalo de 1,2254 a 2,4563 J/(kg . K). Fonte: EMBRAPA.

m = 20 \text{ g}

m = 40 \text{ g}

\(m\)

\(2m\)

para elevar em 1°C a temperatura de um quilograma de água, é necessário transferir uma quantidade de calor igual a 4190 J. Enquanto basta transferir 910 J de calor para elevar a temperatura de um quilograma de alumínio de 1 °C.

Q=mc\Delta T

\Delta T = 1^o\text{ C}

Q = 4190\text{ J}

\Delta T = 1^o\text{ C}

Q = 910\text{ J}

O calor específico da água é 4190 J/(kg . K), do alumínio é 910 J/(kg.K), do cobre é 390 J/(kg.K) e do chumbo é 130 J/(kg.K).

m = 1000 \text{ g}

Fonte: https://superera.xyz/

Fonte: https://www.tricurioso.com

Calor sensível e calor específico

O calor sensível também depende da natureza do material

Chumbo

Cobre

Fonte: https://youtu.be/2t5cVSmQ16Q

Calor sensível e calor específico

Em geral, o calor específico de uma substância depende até certo ponto da temperatura inicial e do intervalo de temperatura.

O calor específico da água não é constante. O mesmo ocorre para outras substâncias. Usualmente, considera-se um valor médio para o calor específico.

dQ=mc(T)dT

Q=\int_{T_i}^{T_f}mc(T)dT

A água possui o calor específico mais alto. Logo, sua temperatura aumenta menos do que a da areia, sob a mesma luz solar inicidente. O baixo calor específico da areia, como evidenciado pela rapidez com que sua superfície esquenta na luz matinal solar e pela rapidez com que ela esfria de noite, afeta o clima local.

Fonte: Paul Hewitt

Q\approx mc\Delta T

Algumas vezes é mais conveniente descrever a quantidade de uma substância em termos de moles \(n\) em vez da massa \(m\) do material.

Calor específico molar

Adotando a letra \(M\) como o mol ou massa molar de qualquer substância, temos:

m=nM

A massa molar da água é igual a \(M\) =18,0 g/mol. Um mol de água (\(n=1\)) possui massa igual a \(m=\)18,0 g. O calor específico molar da água é \(C =75,4\) J/(mol . K) .

Q=mc\Delta T

Q=nMc\Delta T

Q=nC\Delta T

onde \(C = Mc\) é o calor específico molar, em J/(mol.K).

Existem ainda as capacidades térmicas à volume e pressão constantes (próximas aulas):

C_V = mc_V

C_P = mc_p

O calor específico é dado em J/(kg.K)

Na Tabela, encontramos os valores do calor específico e do calor específico molar de diversas substâncias.

Fonte: Sears & Zemansky

Os calores específicos molares de quase todos os sólidos elementares possuem aproximadamente o mesmo valor: cerca de 25 J/(mol.K).

Regra de Dulong e Petit

O número de átomos contidos em um mol de qualquer substância elementar é sempre o mesmo.

O calor necessário para produzir um dado aumento de temperatura depende somente da quantidade de átomos que a amostra contém, e não da massa de cada átomo.

C=Mc

Calor específico molar \(\Rightarrow\)

Calor sensível e grandezas correlatas

R: (ii) - (i) - (iv) - (iii)

Um mol de mercúrio e um mol de etanol possuem massas diferentes.

A uma pressão constante, pode ocorrer de fornecermos grandes quantidades de calor a um sistema e sua temperatura permanecer constante, mesmo que ele não seja um reservatório térmico.

Numa mudança de fase lenta, a temperatura do sistema se mantém constante até que toda a mudança tenha se processado sendo geralmente acompanhada por uma transferência de calor e por uma variação de volume e de densidade.

São necessários \(Q_f\) = 3,34 × 10\(^5\) J de calor para converter 1 kg de gelo a 0 °C em 1 kg de água líquida a 0 °C, a 1 atm. FUSÃO.

São necessários \(Q_v\) = 2,26 × 10\(^6\) J de calor para converter 1 kg de água a 100 °C em 1 kg de vapor d'água a 100 °C, a 1 atm. EBULIÇÃO.

Calor latente e mudança de fase

Fonte: https://www.youtube.com/embed/AJyKBu2QlCU?enablejsapi=1

Fonte: https://www.youtube.com/embed/wT-zmm1NIb8?enablejsapi=1

Define-se calor latente como uma quantidade de calor que não provoca uma variação da temperatura de uma substância e que leva a uma mudança de fase (sólido - líquido - gasosa).

Calor latente e mudança de fase

Q_{fusão} = \pm m L_{fusão}

Q_{vaporização} = \pm m L_{vaporização}

Há uma transição de fase devido ao calor transferido com uma mudança de fase.

Em uma dada pressão, a transição de fase ocorre em uma temperatura definida, sendo geralmente acompanhada por uma troca de calor e por uma variação de volume e de densidade. Os sinais \(\pm\) indicam uma reversibilidade dos processos.

Na Tabela, vemos o calor de fusão (\(L_f)\) e de vaporização (\(L_v\)) de diversas substâncias e as respectivas temperaturas de fusão e vaporização sob pressão atmosférica normal.

Fonte: Sears & Zemansky

Na fusão e solidificação não há variação da temperatura enquanto houver coexistência de fases.

Na sublimação não há variação da temperatura enquanto houver coexistência de fases.

Na vaporização ou condensação não há variação da temperatura enquanto houver coexistência de fases.

Q_{f}=\pm mL_{f}

Q_{v}=\pm mL_{v}

Q_{s}=\pm mL_{s}

Calor latente e mudança de fase

Na cozinha, uma panela com água pode atingir a temperatura de ebulição em alguns minutos, porém é necessário um tempo muito maior para fazer a água vaporizar completamente.

Fonte: Sears & Zemansky

Fonte: https://youtu.be/Kr34AvWIVOI

A água possui um calor específico muito maior que o do vidro ou de metais usados em utensílios de cozinha, por tal motivo leva mais tempo para aumentar ou diminuir sua temperatura.

Calor latente e mudança de fase

Quando há calor entre dois ou mais corpos isolados do meio ambiente, o calor cedido por alguns corpos deve ser igual ao calor recebido pelos outros corpos.

Calorimetria

O processo de transferência de calor cessa quando o equilíbrio térmico é alcançado.

Em um sistema isolado da vizinhança por paredes adiabáticas:

\sum Q = 0

Q_1+Q_2+Q_3+\cdots= 0

Q_{entra}+Q_{sai}= 0

Q=\pm mc\Delta T

Q=\pm mL

A quantidade de calor trocada pode ser sensível e/ou latente:

Fonte: Paul Hewitt

Fonte: https://www.youtube.com/embed/-njoPXGBKdo

Mecanismos de transferência de calor: Condução.

A condução térmica envolve a transferência de calor através de um objeto devido à agitação térmica entre átomos/moléculas sem que haja transferência de matéria.

Diferentes materiais possuem diferentes taxas de condução de calor.

A condução térmica, no nível atômico, se deve aos átomos de uma região quente possuírem, em média, uma energia cinética maior que a energia cinética dos átomos de uma região vizinha.

Fonte: https://youtu.be/We1Se8Amy0g

As colisões desses átomos com os átomos vizinhos fazem com que eles lhes transmitam parte da energia. Os átomos vizinhos colidem com outros átomos vizinhos, e assim por diante, ao longo do material.

Fonte: https://youtu.be/-LdTjP4UtpA

Mecanismos de transferência de calor: Condução.

A condução térmica envolve a transferência de calor através de um objeto em contato térmico entre dois reservatórios.

Fonte: Bauer

(a) A barra (objeto) tem comprimento \(L\) e área de seção reta \(A\).

(b) A barra é colocada em contato térmico entre dois reservatórios térmicos a temperaturas \(T_q\) e \(T_f\).

A taxa de transferência de calor (potência), ou corrente de calor (\(H)\):

H=\frac{dQ}{dt}=kA\frac{T_q-T_f}{L}

cuja unidade no S.I. é o Watt (joule/tempo).

Na condução espontânea, o sentido de transferência de calor é sempre da temperatura maior para a menor.

Gradiente de temperatura

Condutividade térmica

Mecanismos de transferência de calor: Condução.

A constante \(k\) é a condutividade térmica com unidade de W/(m.K) e depende do material da barra.

H=kA\frac{T_q-T_f}{L}

Se a temperatura varia de modo não uniforme ao longo do comprimento da barra não condutora, introduzimos uma coordenada \(x\) ao longo do comprimento e escrevemos:

Quanto maior o valor de \(k\) maior será a condução térmica.

H=-kA\frac{dT}{dx}

Fonte: Sears & Zemansky

O fluxo de calor ocorre sempre no sentido da diminuição da temperatura

H_1

H_2=2H_1

Fonte: Sears & Zemansky

Fonte: Sears & Zemansky

Fonte: Sears & Zemansky

H_3=H_1/2

Mecanismos de transferência de calor: Condução.

Define-se a resistência térmica (isolamento) a grandeza \(R = L/k\) com unidade de m\(^2\)K/W. Assim, a taxa de transferência térmica é:

H=A\frac{\Delta T}{R}

O valor da resistência \(R\) pode ser ajustado a fim de aumentar ou diminuir a corrente de calor. Quanto maior o valor de \(R\), menor será a condução térmica.

Uma prática comum nas novas construções em climas muito frios do hemisfério norte é empregar valores de R em torno de 30 para paredes externas e tetos.

Fonte: Bauer

Fonte: Freepic

Fonte: Bauer

Massa e calor específico pequenos. Cerca de 20 000 azulejos cerâmicos com 10% de fibras de cílica e 90% de espaço vazio (ar morto / isolante).

Mecanismos de transferência de calor: Condução.

Fonte: https://youtu.be/Dwx1BWrADZ0

Quando o fluido é impulsionado pela ação de um ventilador ou de uma bomba, o processo denomina-se convecção forçada; quando o escoamento é produzido pela existência de uma diferença de densidade provocada por uma expansão térmica, como a ascensão do ar quente, o processo denomina-se convecção natural ou convecção livre.

Fonte: https://youtu.be/VNIlJnOpvEY

O mecanismo mais importante para a transferência de calor no corpo humano (utilizado para manter a temperatura do corpo constante em diferentes ambientes) é a convecção forçada do sangue, na qual o coração desempenha o papel de uma bomba.

Mecanismos de transferência de calor: Convecção.

A convecção térmica envolve a transferência de calor ocorrida pelo movimento da massa de uma região do fluido para outra região.

Fonte: Bauer

(a) Na Terra o ar aquecido é menos denso do que o ar circundante e, por isso, o ar ascendente carrega a energia térmica para cima.

(b) Em situações de microgravidade a densidade é a mesma em todos os sentidos. A energia térmica se distribui quase que esfericamente. O ar aquecido não tem sentido preferencial para onde se propagar.

A taxa de transferência de calor:

P=\frac{Q}{\Delta t} = \frac{mc\Delta T}{\Delta t} = R_m c\Delta T

A vazão mássica é:

R_m = \rho v A

Mecanismos de transferência de calor: Convecção.

A convecção natural na atmosfera desempenha um papel dominante na determinação das condições climáticas ao longo do dia, e a convecção nos oceanos é um importante mecanismo de transferência de calor no globo terrestre.

Fonte: Bauer

Uma imagem de satélite, tirada pelo satélite Terra da NASA em 5 de maio de 2001, mostra a temperatura da água no Oceano Atlântico Norte. As cores representam a variação da temperatura da água. As correntes quentes do Golfo são visíveis em vermelho, e a Costa Leste dos Estados Unidos é mostrado em preto.

Água quente flui do Golfo do México em direção ao norte. A temperatura da água é T = 20 \(^o\)C e a velocidade é de 2 m/s.

Ao entrar no Atlântico norte, a corrente se divide. Uma parte subindo em direção à Europa Ocidental e outra parte se volta para o Sul ao longo da costa africana.

O aquecimento global pode ameaçar a corrente do Golfo em razão do derretimento do gelo do Polo Norte, pois a água doce reduz a salinidade que interfere no processo de convecção.

Veja em: https://youtu.be/Z-cExV8uUKE

Mecanismos de transferência de calor: Convecção.

A radiação térmica envolve a transferência de calor por meio de ondas eletromagnéticas: luz visível, infravermelho e ultravioleta.

Fonte: https://youtu.be/QbknnXlF-co

Fonte: https://youtu.be/0qoT6zdWWG8

Fonte: https://www.todamateria.com.br/

Mecanismos de transferência de calor: Radiação.

Todos os corpos emitem radiação térmica. A maior parte da radiação emitida não é visível.

Todo mundo já sentiu o calor da radiação solar e o intenso calor proveniente das brasas de carvão de uma churrasqueira ou uma lareira. a maior parte do calor proveniente desses corpos quentes atinge você por radiação, e não por condução ou convecção do ar.

Fonte: Bauer

A temperatura ambiente, quase toda a energia é transportada por ondas infravermelhas com comprimentos de onda muito maiores que os da luz visível.

A 800 °C, um corpo emite radiação visível em quantidade suficiente para adquirir luminosidade própria e parecer “vermelho quente”, embora a maior parte da energia seja transportada por ondas infravermelhas.

A 3.000 °C, a temperatura característica do filamento de uma lâmpada incandescente, a radiação contém luz visível suficiente para que o corpo pareça “branco quente”.

Mecanismos de transferência de calor: Radiação.

Um refletor é utilizado como películas prateadas no interior de garrafas com vácuo entre as paredes externas (garrafas “térmicas”), inventadas por sir James Dewar (1842-1923).

O ar é bombeado para fora do espaço entre essas paredes duplas da garrafa térmica; isso elimina quase todo o calor transmitido por condução e por convecção.

A película prateada nas paredes internas provoca a reflexão da maior parte da radiação proveniente do interior da garrafa, fazendo a radiação voltar para seu interior, e a própria parede é um emissor muito pobre.

Poliolefina revestida de alumínio, que reflete 97% da radiação infravermelha. Para um fator de isolamento R-19 os ganhos de calor no verão podem ser reduzidos entre 16 e 42% e reduzindo os custos de ar condicionados em até 17%.

O isolamento contra radiação térmica pode manter a temperatura baixa no verão.

Fonte: Bauer

Mecanismos de transferência de calor: Radiação.

A radiação térmica pode pertencer ou não ao espectro visível.

Fonte: Bauer

Fonte: Bauer

(a) Um cientista iluminado com luz visível.

(b) O mesmo cientista fotografado com uma câmera infravermelha. O cientista irraidou radiação infravermelha.

A taxa de transferência de calor é,

H=\sigma \epsilon A T^4

A taxa de transferência de calor líquida é,

H_{liq}=H_{abs}-H_{rad}=\sigma \epsilon A (T_{amb}^4-T_{rad}^4)

A constante de Stefan-Boltzman é \(\sigma = 5,67 \times 10^{-8} \text{W/K}^4\text{m}^2\) e \(\epsilon\) é a emissividade \(0 \leq \epsilon \leq 1\).

\epsilon = 0

\epsilon = 1

Mecanismos de transferência de calor: Radiação.

Fonte: https://youtu.be/18phY-1Luyc

O calor é transferido a você mesmo que entre você e a fonte de calor existisse apenas vácuo.

UM corpo que absorve bem o calor também o emite bem. Um irradiador ideal, com emissividade e \(\epsilon =1 \), também é um absorvedor ideal, absorvendo toda a radiação que incide sobre ele. Tal superfície ideal chama-se corpo negro ideal, ou simplesmente corpo negro, mas ele não é necessariamente negro. Uma lâmpada emite radiação de corpo negro.

Fonte: PHET

Mecanismos de transferência de calor: Radiação.

Fonte: Bauer

Fonte: https://youtu.be/Or-gtpC8X6I

Nossa atmosfera não é completamente transparente à radiação infravermelha. isso porque ela contém dióxido de carbono (CO2), que é seu quarto constituinte mais abundante (depois de nitrogênio, oxigênio e argônio).

As moléculas de CO2 na atmosfera absorvem parte da radiação infravermelha que sobe da superfície. Então, elas reirradiam a energia absorvida, mas parte dessa energia reirradiada é direcionada de volta para a superfície, em vez de escapar para o espaço.

Mecanismos de transferência de calor: Radiação.

Fonte: Sears & Zemansky

A temperatura média da superfície da Terra, T ~ 288 K. Está aumentando devido ao efeito estufa. A radiação infravermelha é absorvida pelos gases da atmosfera.

Se continuarmos a consumir combustíveis fósseis na mesma proporção, por volta de 2050 a concentração atmosférica de CO2 atingirá 600 partes por milhão. o aumento de temperatura resultante teria efeitos dramáticos sobre o clima global.

Mecanismos de transferência de calor: Radiação.

Questão 1

Um ferreiro derrama 3,0 kg de grãos de chumbo a uma temperatura de \(94,7^o\) C em 1,00 kg de água a \(27,5^o \)C em um recipiente isolado, que age como um calorímetro. Qual é a temperatura final da mistura?

Questão 2

Quanto calor, Q, é necessário para converter 0,500 kg de gelo a uma temperatura de \(-30^o \)C para vapor a \(140 ^o\) C?

Questão 3

Uma estudante de física deseja resfriar 0,25 kg de Coca-Cola Diet, inicialmente a uma temperatura de \(25^o\) C, adicionando gelo a \(-20^o\) C. Qual quantidade de gelo ela deve usar para que a temperatura final seja igual a \(0 ^o\) C, sabendo que todo gelo se funde e que o calor específico do recipiente pode ser desprezado?

Questão 4

Uma panela de cobre pesada com massa igual a 2,0 kg (incluindo a tampa) está a uma temperatura de \(150^o\) C. Você despeja 0,10 kg de água a \(25^o\) C no interior dessa panela, a seguir fecha rapidamente a tampa de modo que não ocorra nenhuma perda de vapor. Calcule a temperatura final da panela e do seu conteúdo, e determine a fase (líquida ou gasosa) da água. Suponha que não haja nenhuma perda de calor para o ambiente.

Questão 5

Suponha que você faça o isolamento do teto de uma peça com um material isolante com fator R de R-30. A peça tem 5,00 m por 5,00 m. A temperatura dentro do cômodo é de 21,0 oC, e a temperatura acima do isolamento é de 40,0 oC. Quanto calor entra na peça pelo telhado em um dia se o ambiente for mantido a uma temperatura de 21,0 oC?

Questão 6

Você constrói uma pequena casa com quadro cômodos. Cada cômodo tem 10,0 pés por 10,0 pés, e o teto tem 8,00 pés de altura. As paredes externas estão isoladas com material de fator R de R-19, e o piso e o teto estão isolados com um material com fator R de R-30. Durante o inverno, a temperatura média dentro da casa é de 20 oC, e a temperatura média fora da casa é de 0,00 oC.

Você aquece a casa por 6 meses no inverno usando eletricidade que custa 9,5 centavos de dólar por quilowatt-hora. Quanto você paga para aquecer sua casa durante o inverno?

Fonte: Bauer

Questão 7

Vamos supor que uma canalização de água retangular de 100 km de largura e 500 m de profundidade possa se aproximar da Corrente do Golfo. A água nesta canalização está se movendo com velocidade de 2,0 m/s. A temperatura da água é de 5,0 oC mais quente do que a água circundante. Estime quanta potência a Corrente do Golfo está transportando para o Oceano Atlântico Norte.

Fonte: Bauer

Questão 8

Suponha que a Terra absorva 100% da energia incidente do Sol e, depois, irradie toda a energia de volta para o espaço, assim como um corpo negro faria. Qual seria a temperatura da superfície da Terra?

Questão 9

Uma barra de cobre de comprimento L = 90,0 cm e área trasnversal A = 3,00 cm2 está em contato térmico em uma extremidade com um reservatório térmico a uma temperatura de 100,0 oC. A outra extremidade da barra de cobre está em contato térmico com uma barra de alumínio de mesma área transversal e comprimento de 10,0 cm. A outra extremidade da barra de alumínio está em contato térmico com um reservatório térmico a uma temperatura de 1,00 oC. Qual é o fluxo de energia térmica através da barra composta?

Fonte: Bauer

Questão 10

O calor específico de um bloco (B) de 100 g de uma substância deve ser determinado. O bloco é colocado em um calorímetro (C) de cobre com massa de 25 g, contendo 60g de água (Af) a \(20^o\) C. Depois, 120 g de água (Aq) a \(80^o\) C são adicionados ao calorímetro. Quando o equilíbrio é atingido, a temperatura do sistema é \(54^o\) C. Determine o calor específico do bloco.

Questão 11

Uma peça de alumínio (Al) de 50,0 g é resfriada de \(20^o\)C para \(-196^o\) C, quando colocada em um grande recipiente com nitrogênio (N) líquido a esta temperatura. Quanto nitrogênio evapora? (Suponha que o calor específico do alumínio seja constante neste intervalo de temperatura.)