2ª ANO DO ENSINO MÉDIO
- 2011
Prof. Marcelo Franco
Moura
LISTA DE EXERCÍCIOS –
BALANÇO ENERGÉTICO COM MUDANÇA DE FASE
1)
Uma
fonte de potência constante e igual a 500 cal/s aquece uma massa de 100 g de
ouro, cujo calor específico é igual a 0,032 cal/gºC e calor latente de fusão
igual a 15 cal/g. Se a massa estava inicialmente à temperatura de 25ºC, quanto
tempo a fonte deverá aquecê-la a fim de que todo o ouro se funda?
Dado: temperatura de fusão do ouro = 1.064ºC.
2)
Um
experimento foi realizado com o objetivo de determinar as características de
determinada substância. Para tanto, tomou-se uma amostra de 200 g da substância
a -40ºC. Com a ajuda de uma fonte térmica de potência constante e igual a 1200
W e evitando qualquer perda de calor para o meio ambiente, traçou-se a curva de
aquecimento representada ao lado.
Assumindo 1 cal = 4 J, determine:
a)
o
calor específico da substância no estado sólido.
b)
o
calor latente de fusão da substância.
c)
o
calor específico da substância no estado líquido.
d)
o
calor latente de vaporização da substância.
3)
Uma
fonte de calor, ao nível do mar, funcionou durante 40 minutos, fornecendo a
quantidade de calorias necessárias para que 500 g de água a 12ºC, contida em um
recipiente, entrassem em ebulição e, além disso, 200 g da quantidade inicial se
transformassem em vapor de água a 100ºC. Desprezando a capacidade térmica do
recipiente, determine a potência da fonte de calor, em cal/s.
Dados para a água: calor específico = 1,0
cal/gºC; calor latente de vaporização = 540 cal/g.
4)
O
gráfico representa a curva de aquecimento de uma massa de 200 g de uma
substância, inicialmente no estado sólido, realizado por uma fonte de potência
constante e igual a 5,0 kcal/min.
Determine o valor do calor latente de fusão
dessa substância, em cal/g.
5)
O
supermercado necessita diariamente de gelo em escamas. A potência P dissipada
pela máquina empregada para fabricá-la é de 360 cal/s. Sabendo que a
temperatura da água ao entrar na máquina é de 20ºC, determine:
Dados: cgelo = 0,5 cal/gºC; cágua
= 1,0 cal/gºC; Lfusãodogelo = 80 cal/g; 1 cal = 4 J.
a)
o
calor liberado por 150 kg de água ao ser transformada integralmente em gelo a
-3ºC;
b)
a
energia dissipada pela máquina, em joules, em 5h de funcionamento.
6)
Algumas
máquinas do navio operam utilizando vapor d'água à temperatura de 300ºC. Esse
vapor é produzido por uma caldeira alimentada com óleo combustível, que recebe
água à temperatura de 25ºC. O gráfico a seguir mostra o comportamento do calor
específico c do vapor d'água em função da temperatura q.
a)
Considerando
as condições descritas, calcule a quantidade de calor necessária para
transformar 1,0.10³ g de água a 25ºC em vapor a 300ºC.
b)
Admita
que:
·
a
queima de 1 g do óleo utilizado libera 10.000 cal;
·
a
caldeira, em 1 h, queima 4.320 g de óleo e seu rendimento é de 70%.
Determine a potência útil dessa caldeira.
7)
Na
aula de física, o professor entrega aos estudantes um gráfico da variação da
temperatura (em ºC) em função do calor fornecido (em calorias). Esse gráfico,
apresentado a seguir, é referente a um experimento em que foram aquecidos 100 g
de gelo, inicialmente a -20ºC, sob pressão atmosférica constante.
Em seguida, o professor solicita que os
alunos respondam a algumas questões.
Auxilie o professor na elaboração do gabarito
correto, calculando, a partir das informações dadas:
a)
o
calor específico do gelo;
b)
o
calor latente de fusão do gelo;
c)
a
capacidade térmica da quantidade de água resultante da fusão do gelo.
8)
Um
aquecedor elétrico fechado contém inicialmente 1 kg de água a temperatura de
25ºC e é capaz de fornecer 300 cal a cada segundo. Desconsiderando perdas de
calor, e adotando 1 cal/gºC para o calor específico da água e 540 cal/g para o
calor latente, calcule
a)
o
tempo necessário para aquecer a água até o momento em que ela começa a
evaporar.
b)
a
massa do vapor formado, decorridos 520 s a partir do instante em que o
aquecedor foi ligado.
9)
Uma
quantidade de 1,5 kg de certa substância está inicialmente na fase sólida, à
temperatura de -20ºC. Em um processo à pressão constante de 1,0 atm, ela é
levada à fase liquida a 86ºC. A potência necessária nessa transformação foi de
1,5 kJ/s. O gráfico na figura mostra a temperatura de cada etapa em função do
tempo.
Calcule:
a)
o
calor latente de fusão LF;
b)
o
calor necessário para elevar a temperatura de 1,5 kg dessa substância de 0 a 86ºC.
c)
o
calor específico sensível da substancia no estado sólido em cal/gºC;
d)
o
calor específico sensível da substancia no estado líquido em cal/gºC;
10)
Para certo procedimento industrial,
necessita-se de água a 20ºC, mas só se dispõe de água no estado sólido a 0ºC
(gelo) e água fervendo a 100ºC. Determine a relação entre a massa de gelo e a
massa de água fervendo que se deve misturar em um recipiente adiabático, para a
obtenção do desejado.
Dados: calor latente de fusão da água = 80 cal/g;
calor específico da água líquida =
1 cal/gºC.
11)
Qual
será a massa que se fundirá quando um pedaço de 500 g de gelo a 30ºC for
lançado em um recipiente termicamente isolado contendo 1 ℓ de água a 30ºC?
Dados: calor específico do gelo = 0,5
cal/gºC; calor específico da água = 1,0 cal/gºC; calor latente de fusão do gelo
= 80 cal/g; temperatura de fusão do gelo = 0ºC; densidade da água = 1 kg/ℓ.
12)
Uma
grande quantidade de água no estado líquido está sendo mantida, sob pressão
normal, a 100ºC, em um recipiente termicamente isolado. Colocando-se nesse
recipiente uma massa de 270 g de um metal de calor específico 0,6 cal/gºC e
temperatura de 300ºC, qual será a massa de vapor de água que se formará em
razão da troca de calor entre a água e o metal?
Dados: calor específico da água = 1,0 cal/gºC;
calor latente de vaporização da água = 540 cal/g; temperatura de vaporização da
água = 100ºC.
13)
Maria
e João estavam acampados numa praia de São Luís onde a temperatura ambiente era
de 35ºC ao meio-dia. Nesse momento, verificaram que dois litros de água mineral
estavam na temperatura ambiente. Resolveram então baixar a temperatura da água,
colocando-a num recipiente de isopor juntamente com 200 g de gelo a -4ºC. Após
a fusão de todo o gelo, e estabelecido o equilíbrio térmico da mistura, qual
era a temperatura da água?
Dados: Lgelo = 80 cal/g; cgelo
= 0,5 cal/gºC; cágua = 1,0 cal/gºC.
14)
Em
um calorímetro de capacidade térmica desprezível, há 200 g de gelo a -20ºC.
Introduz-se, no calorímetro, água a 20ºC. O calor latente de solidificação da
água é -80 cal/g e os calores específicos do gelo e da água (líquida) valem,
respectivamente, 0,50 cal/gºC e 1,0 cal/gºC.
Calcule o valor máximo da massa da água
introduzida, a fim de que, ao ser atingido o equilíbrio térmico, haja apenas
gelo no calorímetro.
15)
Duas
peças metálicas de massas iguais, uma de ferro e a outra de chumbo,
inicialmente a 100ºC, são colocadas em contato térmico com um grande bloco de
gelo a 0ºC. Após o equilíbrio térmico das peças com o gelo, o calor fornecido
pela peça de ferro deixa mF gramas de gelo fundido, enquanto que o
calor fornecido pela peça de chumbo deixa mC gramas de gelo fundido.
O calor específico do ferro vale aproximadamente 0,45 J/gºC e o do chumbo, 0,15
J/gºC.
a)
Qual
o valor da razão mF/mC?
b)
Sabendo
que mF = 90 g e que o calor latente de fusão do gelo vale 320 J/g,
qual o valor da massa M de cada peça metálica?
16)
Um
suco de laranja foi preparado em uma jarra adicionando-se a 250 mℓ de suco de
laranja, a 20ºC, 50 g de gelo fundente. Estabelecido o equilíbrio térmico, qual
era a temperatura do suco gelado, em ºC?
Dados: calor específico da água = 1 cal/gºC; calor
específico do suco de laranja = 1 cal/gºC; densidade do suco de laranja = 1.10³
g/ℓ; calor latente de fusão do gelo = 80 cal/g.
17)
Num
piquenique, com a finalidade de obter água gelada, misturou-se num garrafão
térmico, de capacidade térmica desprezível, 2 kg de gelo picado a 0ºC e 3 kg de
água que estavam em garrafas ao ar livre, à temperatura ambiente de 40ºC,
Desprezando-se a troca de calor com o meio externo e conhecidos o calor latente
de fusão do gelo (80 cal/g) e o calor específico da água (1 cal/gºC), qual a
massa de água gelada disponível para beber, em kg, depois de estabelecido o
equilíbrio térmico?
18)
Inicialmente,
50 g de gelo a 0ºC são colocados num calorímetro de alumínio, também a 0ºC. Em
seguida, 80 g de água a 70ºC são despejados dentro desse recipiente. Calcule a
temperatura final do conjunto.
Dados: calor latente de fusão do gelo = 80
cal/g; calor específico da água = 1,0 cal/gºC; capacidade térmica do
calorímetro = 8 ca/ºC.
19)
Um
recipiente de material termicamente isolante contém 300 g de chumbo derretido à
sua temperatura de fusão de 327ºC. Quantos gramas de água fervente devem ser
despejados sobre o chumbo para que, ao final do processo, toda a água tenha se
evaporado e o metal solidificado encontre-se a 100ºC? Suponha que a troca de calor
dê-se exclusivamente entre a água e o chumbo.
Dados: Calor latente de vaporização da água =
540 cal/g;
Calor latente de fusão do chumbo = 5,5 cal/g;
Calor específico do chumbo = 0,03 cal/gºC.
20)
Misturam-se
200 g de água a 17ºC com certa quantidade de gelo a -10ºC. Para que o
equilíbrio térmico se estabeleça a 0ºC e reste apenas água a essa temperatura,
qual a massa do gelo, em gramas?
Dados: calor latente de fusão do gelo = 80
cal/g; calor específico do gelo = 0,50 cal/gºC
21)
Num
grande bloco de gelo em fusão, faz-se uma cavidade onde são colocados 100 g de
um metal de calor específico 0,15 cal/gºC, a 120ºC. Sendo de 80 cal/g o calor
latente de fusão do gelo, qual a massa de água que se forma na cavidade até o
equilíbrio térmico?
Dado: calor de fusão do gelo: LF =
80 cal/g
22)
Uma
barra de gelo de massa 100 g a -20ºC é colocada num recipiente com 15 g de água
líquida a 10ºC, Sabe-se que o calor específico do gelo vale 0,55 cal/gºC, o
calor latente de fusão do gelo, 80 cal/g e o calor específico da água líquida,
1,0 cal/gºC. Qual a temperatura de equilíbrio, em ºF?
23)
Misturam-se
60 g de água a 20ºC com 800 g de gelo a 0ºC, Admitindo-se que há troca de calor
apenas entre a água e o gelo, calcule, em gramas, a massa final de líquido.
Dados: calor latente de fusão do gelo = 80
cal/g;
calor específico da água = 1 cal/gºC.
