CA 6 - Apropriar-se de conhecimentos da Física para, em situações problema, interpretar, avaliar ou planejar intervenções científico-tecnológicas.

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1 COMPETÊNCIAS E HABILIDADES CADERNO 9 PROF.: Célio Normando CA 6 - Apropriar-se de conhecimentos da Física para, em situações problema, interpretar, avaliar ou planejar intervenções científico-tecnológicas. H1 Utilizar leis físicas e (ou) químicas para interpretar processos naturais ou tecnológicos inseridos no contexto da termodinâmica e (ou) do eletromagnetismo. OBJETO DO CONHECIMENTO: Diagrama de fase 1. (ENEM-1999) A panela de pressão permite que os alimentos sejam cozidos em água muito mais rapidamente do que em panelas convencionais. Sua tampa possui uma borracha de vedação que não deixa o vapor escapar, a não ser através de um orifício central sobre o qual assenta um peso que controla a pressão. Quando em uso, desenvolve-se uma pressão elevada no seu interior. Para a sua operação segura, é necessário observar a limpeza do orifício central e a existência de uma válvula de segurança, normalmente situada na tampa. O esquema da panela de pressão e um diagrama de fase da água são apresentados abaixo. A vantagem do uso de panela de pressão é a rapidez para o cozimento de alimentos e isto se deve A) à pressão no seu interior, que é igual à pressão externa. B) à temperatura de seu interior, que está acima da temperatura de ebulição da água no local. C) à quantidade de calor adicional que é transferida à panela. D) à quantidade de vapor que está sendo liberada pela válvula. E) à espessura da sua parede, que é maior que a das panelas comuns. SOLUÇÃO: No interior da panela de pressão, a pressão do vapor da água é maior que a pressão atmosférica local. Em conseqüência, a ebulição acontece em temperaturas maiores do que aconteceria a céu aberto, diminuindo o tempo de cozimento dos alimentos. RESPOSTA (B) OBJETO DO CONHECIMENTO: Influência da pressão nas mudanças de estado. (ENEM-1999) Se, por economia, abaixarmos o fogo sob uma panela de pressão logo que se inicia a saída de vapor pela válvula, de forma simplesmente a manter a fervura, o tempo de cozimento A) será maior porque a panela esfria. B) será menor, pois diminui a perda de água. C) será maior, pois a pressão diminui. D) será maior, pois a evaporação diminui. E) não será alterado, pois a temperatura não varia. SOLUÇÃO: A temperatura de ebulição da água é constante para qualquer quantidade de calor fornecida, desde que não se altere a pressão de vapor da água. Portanto o tempo de cozimento não se altera. RESPOSTA (E) OBJETO DO CONHECIMENTO: Propagação do calor 3. (ENEM-009) A invenção da geladeira proporcionou uma revolução no aproveitamento dos alimentos, ao permitir que fossem armazenados e transportados por longos períodos. A figura apresentada ilustra o processo cíclico de funcionamento de uma geladeira, em que um gás no interior de uma tubulação é forçado a circular entre o congelador e a parte externa da geladeira. É

2 por meio dos processos de compressão, que ocorre na parte externa, e de expansão, que ocorre na parte interna, que o gás proporciona a troca de calor entre o interior e o exterior da geladeira. Disponível em: Acesso em: 19 out. 008 (adaptado). Nos processos de transformação de energia envolvidos no funcionamento da geladeira, a) a expansão do gás é um processo que cede a energia necessária ao resfriamento da parte interna da geladeira. b) o calor flui de forma não espontânea da parte mais fria, no interior, para a mais quente, no exterior da geladeira. c) a quantidade de calor cedida ao meio externo é igual ao calor retirado da geladeira. d) a eficiência é tanto maior quanto menos isolado termicamente do ambiente externo for o seu compartimento interno. e) a energia retirada do interior pode ser devolvida à geladeira abrindo-se a sua porta, o que reduz seu consumo de energia. SOLUÇÃO: O sentido espontâneo da propagação do calor é do ambiente mais quente para o ambiente mais frio. A geladeira funciona ao contrário, retirando calor do ambiente frio, transferindo-o para um ambiente quente, num processo forçado. Aliás, por isso é que são necessários motor e compressor. RESPOSTA (B) OBJETO DO CONHECIMENTO: Equação Fundamental da Calorimetria 4. (ENEM-009) O Sol representa uma fonte limpa e inesgotável de energia para o nosso planeta. Essa energia pode ser captada por aquecedores solares, armazenada e convertida posteriormente em trabalho útil. Considere determinada região cuja insolação potência solar incidente na superfície da Terra seja de 800 watts/m. Uma usina termossolar utiliza concentradores solares parabólicos que chegam a dezenas de quilômetros de extensão. Nesses coletores solares parabólicos, a luz refletida pela superfície parabólica espelhada é focalizada em um receptor em forma de cano e aquece o óleo contido em seu interior a 400 C. O calor desse óleo é transferido para a água, vaporizando-a em uma caldeira. O vapor em alta pressão movimenta uma turbina acoplada a um gerador de energia elétrica.

3 Considerando que a distância entre a borda inferior e a borda superior da superfície refletora tenha 6 m de largura e que focaliza no receptor os 800 watts/m de radiação provenientes do Sol, e que o calor específico da água é 1 cal. g -1. ºC -1 = 4.00 J. kg -1. ºC -1, então o comprimento linear do refletor parabólico necessário para elevar a temperatura de 1 m 3 (equivalente a 1 t) de água de 0 C para 100 C, em uma hora, estará entre: a) 15 m e 1 m. b) m e 30 m. c) 105 m e 15 m. d) 680 m e 710 m. e) m e m. SOLUÇÃO: Dados: Intensidade da radiação captada, I = 800 W/m ; largura do coletor, L = 6 m; calor específico da água, c = 4.00 J/(kg. C); massa de água, m = kg; tempo de aquecimento, t = 1 h = s; variação de temperatura, T = 80 C. Quantidade de calor necessária para aquecer a água:q = m c T = (1.000)(4.00)(80) = J. 6 Q Potência recebida: P = 9,3 10 W. t Para calcular a área do coletor, basta uma simples regra de três: Calculando o comprimento (d) do coletor: A = d L 116,5 = d(6) d 19 m. RESPOSTA (A) OBJETO DO CONHECIMENTO: Energia Elétrica-Energia Térmica 5. (ENEM-009) É possível, com 1 litro de gasolina, usando todo o calor produzido por sua combustão direta, aquecer 00 litros de água de 0 C a 55 C. Pode-se efetuar esse mesmo aquecimento por um gerador de eletricidade, que consome 1 litro de gasolina por hora e fornece 110V a um resistor de 11Ω, imerso na água, durante um certo intervalo de tempo. Todo o calor liberado pelo resistor é transferido à água. Considerando que o calor específico da água é igual a 4,19J g 1 C 1, aproximadamente qual a quantidade de gasolina consumida para o aquecimento de água obtido pelo gerador, quando comparado ao obtido a partir da combustão A) A quantidade de gasolina consumida é igual para os dois casos. B) A quantidade de gasolina consumida pelo gerador é duas vezes maior que a consumida na C) A quantidade de gasolina consumida pelo gerador é duas vezes menor que a consumida na D) A quantidade de gasolina consumida pelo gerador é sete vezes maior que a consumida na E) A quantidade de gasolina consumida pelo gerador é sete vezes menor que a consumida na

4 SOLUÇÃO: Dados: massa de água: m = 00 kg; calor específico: c = 4,19 J.g 1. C 1 = J.kg 1. C 1 ; variação de temperatura: T = 55 0 = 35 C; tempo de aquecimento: t = 1 h = s; tensão elétrica: U = 110 V; resistência elétrica: R = 11. Calculemos a potência absorvida pela água (P1), quando aquecida pela combustão da gasolina: Q mc T (00)(4.190)(35) P1 t t P W. 1 Calculemos a potência elétrica (P) fornecida pelo gerador. U (110)(110) P R 11 P W. Fazendo a razão entre essas potências: P ,4. P Como a potência na combustão é cerca de sete vezes maior que a potência elétrica, para que o gerador possa fornecer a mesma quantidade de energia, ele deve consumir uma quantidade de gasolina sete vezes maior. RESPOSTA (D) OBJETO DO CONHECIMENTO: Energia Elétrica 6. (ENEM-005) Podemos estimar o consumo de energia elétrica de uma casa considerando as principais fontes desse consumo. Pense na situação em que apenas os aparelhos que constam da tabela abaixo fossem utilizados diariamente da mesma forma. Tabela: A tabela fornece a potência e o tempo efetivo de uso diário de cada aparelho doméstico. Supondo que o mês tenha 30 dias e que o custo de 1KWh é de R$0,40, o consumo de energia elétrica mensal dessa casa, é de aproximadamente A) R$135. B) R$165. C) R$190. D) R$10. E) R$30. SOLUÇÃO: Da definição de potência média: Assim, o consumo de energia elétrica em questão pode ser determinado como segue: Em um dia:

5 Em um mês: Logo, o custo em reais será de: R$ 576 x (0,40) R$ 30,40 Ou seja, aproximadamente R$30,00. RESPOSTA (E) OBJETO DO CONHECIMENTO: Capacitores Elétricos 7. Os flashes eletrônicos são uma solução simples e barata para o problema inerente à fotografia. Sua única finalidade é emitir um curto lampejo de luz brilhante quando você libera o obturador. Isso ilumina o ambiente pela fração de segundo em que o filme é exposto. Um flash de câmera padrão é uma ótima demonstração de como componentes eletrônicos básicos podem trabalhar juntos em um circuito simples. O circuito do flash armazena a carga em um capacitor de capacitância de 6μF quando fica ligado por um certo tempo a uma bateria de 1V da câmera como mostra o circuito.a carga armazenada pelo capacitor, em μc, é aproximadamente: A) 0,5 B),0 C) 6,0 D) 1,0 E) 7,0 SOLUÇÃO: A carga armazenada pelo capacitor é dada pela expressão: Q = C.V -----> Q = 6 x > Q = 7 μc RESPOSTA (E) OBJETO DO CONHECIMENTO: Calorimetria - Rendimento 8. (ENEM-010) Com o objetivo de se testar a eficiência de fornos de micro-ondas, planejou-se o aquecimento em 10 C de amostras de diferentes substâncias, cada uma com determinada massa, em cinco fornos de marcas distintas. Nesse teste, cada forno operou à potência máxima. O forno mais eficiente foi aquele que: a) forneceu a maior quantidade de energia às amostras. b) cedeu energia à amostra de maior massa em mais tempo. c) forneceu a maior quantidade de energia em menos tempo. d) cedeu energia à amostra de menor calor específico mais lentamente. e) forneceu a menor quantidade de energia às amostras em menos tempo. SOLUÇÃO: Admitindo que a potência elétrica total consumida é a mesma para os cinco fornos, e que eficiência seja sinônimo de rendimento, o forno com maior eficiência é aquele capaz de

6 fornecer a maior potência útil às diferentes amostras, isto é, ceder a maior quantidade de energia no menor intervalo de tempo. RESPOSTA (C) OBJETO DO CONHECIMENTO: Dilatação dos Líquidos 9. (ENEM-009 Prova cancelada) De maneira geral, se a temperatura de um líquido comum aumenta, ele sofre dilatação. O mesmo não ocorre com a água, se ela estiver a uma temperatura próxima a de seu ponto de congelamento. O gráfico mostra como o volume específico (inverso da densidade) da água varia em função da temperatura, com uma aproximação na região entre 0ºC e 10ºC, ou seja, nas proximidades do ponto de congelamento da água. A partir do gráfico, é correto concluir que o volume ocupado por certa massa de água A) diminui em menos de 3% ao se resfriar de 100ºC a 0ºC. B) aumenta em mais de 0,4% ao se resfriar de 4ºC a 0ºC. C) diminui em menos de 0,04% ao se aquecer de 0ºC a 4ºC. D) aumenta em mais de 4% ao se aquecer de 4ºC a 9ºC. E) aumenta em menos de 3% ao se aquecer de 0ºC a 100ºC. SOLUÇÃO: Analisando o gráfico para temperaturas entre 0 e 10 graus Celsius, é possível perceber que, quando a água for aquecida de 0 C a 4 C, a diminuição de seu volume específico é menor que 0,000 cm 3 /g. Como o volume específico da água nessa região é de, aproximadamente, 1 cm 3 /g, essa variação corresponde a uma variação relativa menor que 0,000, ou seja, a diminuição do volume específico da água é menor que 0,0%. Conclui-se portanto que, no aquecimento da água de 0 C a 4 C, a diminuição de seu volume específico é menor que 0,04%. RESPOSTA (C) OBJETO DO CONHECIMENTO: Transformações de Energia 10. (ENEM 009-Prova cancelada) A energia geotérmica tem sua origem no núcleo derretido da Terra, onde as temperaturas atingem ºC. Essa energia é primeiramente produzida pela decomposição de materiais radiativos dentro do planeta. Em fontes geotérmicas, a água, aprisionada em um reservatório subterrâneo, é aquecida pelas rochas ao redor e fica submetida a altas pressões, podendo atingir temperaturas de até 370 ºC sem entrar em ebulição. Ao ser liberada na superfície, à pressão ambiente, ela se vaporiza e se resfria, formando fontes ou gêiseres. O vapor de poços geotérmicos é separado da água e é utilizado no funcionamento de turbinas para gerar eletricidade. A água quente pode ser utilizada para aquecimento direto ou em usinas de dessalinização.

7 HINRICHS, Roger A. Energia e Meio Ambiente. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 003 (adaptado). Sob o aspecto da conversão de energia, as usinas geotérmicas a) funcionam com base na conversão de energia potencial gravitacional em energia térmica. b) transformam inicialmente a energia solar em energia cinética e, depois, em energia térmica. c) podem aproveitar a energia química transformada em térmica no processo de dessalinização. d) assemelham-se às usinas nucleares no que diz respeito à conversão de energia térmica em cinética e, depois, em elétrica. e) utilizam a mesma fonte primária de energia que as usinas nucleares, sendo, portanto, semelhantes os riscos decorrentes de ambas. SOLUÇÃO: A sequência de transformações de energia ocorrida no aproveitamento da energia geotérmica é semelhante ao das usinas nucleares que usam energia nuclear para aquecer água, produzindo vapor que aciona as turbinas para geração de energia elétrica. RESPOSTA (D) GABARITO 1. B. E 3. B 4. A 5. D 6. E 7. E 8. C 9. C 10. D