Questões de Concurso sobre Calorimetria

Em um calorímetro termicamente isolado, 100 g de metanol líquido a 27 °C são adicionados a 200 g de água a 67 °C. Desprezando as trocas de calor com o material que reveste a parede interna do calorímetro, assinale a alternativa que apresenta a equação que mais se aproxima da variação da entropia do sistema metanol + água, em unidade de J/K, até a mistura atingir o equilíbrio térmico.

Dados: C_{metanol Iiquido} = 2,5.10³ J/(kg.K); C_água = 4,2.10³ J/(kg.K); e T_k= T_c + 273 K.

A fim de se descobrir a capacidade térmica de certo calorímetro, colocou-se dentro dele 50 g de água e verificou-se que o equilíbrio térmico se dava à temperatura de 25 °C. Após isso, introduziu-se um pequeno resistor elétrico que, ligado a uma fonte de tensão, fornecia uma potência de 8,4 W ao conjunto água + calorímetro. A variação de temperatura pôde ser acompanhada por um termômetro imerso no sistema, conforme ilustrado na figura anterior. Após 10 min de funcionamento, verificou-se que a temperatura do conjunto (em um novo equilíbrio térmico) havia atingido 45 °C.

Supondo-se que não haja perdas de calor ao ambiente (ou seja, que toda a energia térmica gerada pelo resistor seja absorvida pelo sistema água-calorímetro) e assumindo-se o calor específico da água como 1 cal∙g⁻¹∙°C⁻¹ e 1 cal = 4,2 J, é correto afirmar que a capacidade térmica do calorímetro é igual a

Ao se misturar 200 g de água a 60 °C com 100 g de água a 20 °C, a temperatura de equilíbrio será maior que 45 °C.

Por definição, motor de combustão interna são máquinas térmicas nas quais o calor recebido pelo ciclo tem origem em uma reação química de combustão, que ocorre dentro do motor. Desde o século XVIII, tem-se buscado construir motores a combustão com o melhor desempenho possível. Atualmente, os dois principais motores dessa natureza são os que operam com o ciclo Otto e no ciclo Diesel. Esses ciclos diferem, entre outras coisas, pela forma de fornecimento de energia para o início da combustão. Por um lado, no ciclo Otto, a ignição é introduzida por uma centelha produzida pelo sistema elétrico e se utiliza de combustíveis de baixa volatilidade (álcool e gasolina). Por outro lado, os motores de ciclo Diesel utilizam o óleo diesel ou outros óleos vegetais como combustível e a ignição ocorre pela compressão do ar na câmara de combustão.

A imagem mostra os diagramas P-V dos ciclos Diesel e Otto que funcionam em quatro tempos.

Com base nas leis da Termodinâmica e nos processos termodinâmicos envolvidos nesses dois ciclos, assinale a alternativa correta.

Em um experimento para determinar o equivalente mecânico do calor, um técnico abandona uma esfera de chumbo maciça do alto de uma torre de 42 metros de altura. Ao atingir o solo, supõe-se que toda a energia cinética da esfera seja convertida em energia térmica e que 60% desse calor seja absorvido pela própria esfera.

Sendo a aceleração da gravidade g = 10 m/s² e o calor específico do chumbo c = 126 J/kg°C, determine a variação de temperatura sofrida pela esfera de chumbo ao final do processo e assinale a alternativa correta.

Se 300 g de uma substância com calor específico igual a 0,5 cal∙g⁻¹∙°C⁻¹ receberem 900 cal, então sua temperatura aumentará em 3 °C.

No estudo da calorimetria de misturas, o conceito de "equivalente em água" de um calorímetro é frequentemente utilizado. Do ponto de vista estritamente termodinâmico, essa grandeza representa:

Em um laboratório de termofísica, um técnico coloca uma amostra de 200 g de uma substância pura, inicialmente no estado sólido a -20 °C, em um calorímetro de capacidade térmica desprezível. Uma fonte térmica fornece calor a uma potência constante de 120 cal/s. O técnico registra a temperatura T da amostra em função do tempo t e obtém os seguintes dados:

• De t = 0 a t = 50s: a temperatura sobe de -20 °C à 0 °C.

• De t = 50s a t = 250s: a temperatura permanece constante enquanto a substância funde completamente.

• De t = 250s a t = 300s: a temperatura da fase líquida sobe de 0 °C até 30 °C.

Com base na análise dos dados, assinale a alternativa que apresenta correta e respectivamente os calores específicos (sólido e líquido) e o calor latente de fusão dessa substância.

Considere a afirmação a seguir, frequentemente encontrada em interpretações equivocadas de fenômenos químicos:

“Uma reação química não ocorre espontaneamente porque é exotérmica.”

À luz das leis empíricas da Termodinâmica, essa afirmação é:

Vapor de água considerado gás ideal contido no interior de um conjunto cilindro pistão é submetido a um processo de compressão isotérmica com T= 300K. Inicialmente, a pressão e o volume no interior do cilindro são P₀ = 100kPa e V₀ = 1, 3845m³ e, ao final do processo, o volume do gás é reduzido pela metade. Considere In(2) = 0,7, e que todo o calor liberado no processo é utilizado para aquecer 0, 9230kg de água contida em um balde inicialmente à temperatura ambiente. Calcule a variação de temperatura da água do balde se o calor específico da água é c = 4,2kJ/(kgK).

Dado: O trabalho exercido pelo vapor de água (considerado gás ideal) em um processo isotérmico que parte de um estado à pressão P₀ e volume V₀ e atinge volume final V_f, é $W=P_0{V}_0\ln \left(\frac{V_f}{V_0}\right)$

Leia o texto a seguir.

Um chuveiro elétrico funciona ligado a uma tensão de 220 V, possui resistência elétrica de aproximadamente 24,2 Ω na temperatura de operação. Esse chuveiro é utilizado para aquecer 10 L de água, inicialmente a 20 °C, até 40 °C. Considere que toda a energia elétrica dissipada na resistência é transferida para a água, que a massa de 1 L de água seja 1 kg e que o calor específico da água seja 4,2 kJ·kg⁻¹·K⁻¹.

Nessas condições ideais, o tempo mínimo necessário para aquecer esse volume de água é de, aproximadamente

Um professor de Física apresenta aos alunos a situação-problema a seguir.

“Um bloco de gelo a 0 °C é colocado em um calorímetro ideal contendo água líquida também a 0 °C. O sistema é isolado termicamente do ambiente, mantido à pressão atmosférica e deixado em repouso por tempo prolongado.”

Três alunos apresentam previsões diferentes:

• Aluno 1: “Nada acontecerá, pois ambos estão na mesma temperatura e não há diferença térmica para promover transferência de calor.”

• Aluno 2: “O gelo derreterá parcialmente, pois o estado líquido é termodinamicamente mais estável que o sólido à pressão atmosférica, mesmo a 0 °C.”

• Aluno 3: “Parte da água líquida congelará, pois o sistema busca o estado de menor energia interna, e o gelo possui menor energia interna que a água líquida à mesma temperatura.”

Do ponto de vista termodinâmico rigoroso, considerando as propriedades da água e os princípios das leis da Termodinâmica, o professor conclui corretamente que:

Certa massa de um líquido é adicionada no interior de um recipiente cerâmico poroso, de formato cilíndrico, que possui área superficial total de troca térmica de 𝐴 = 0,010 m² (incluindo a tampa). O sistema de refrigeração interno mantém o recipiente a uma temperatura constante de 𝑇₀ = 300 K. Durante um turno de 10 horas (0 ≤ 𝑡 ≤ 10 h), a temperatura ambiente decresce linearmente de 𝑇_amb = 310 K no início até 𝑇_amb = 300 K ao final. O recipiente troca calor unicamente por radiação (𝜀 = 1,0), e toda a energia absorvida é utilizada para a evaporação do líquido, que percola os poros. Determine a massa total aproximada de líquido evaporada em gramas, considerando que:

1. Constante de Stefan-Boltzmann: 𝜎 = 5,67 × 10⁻⁸ 𝑊/(𝑚^2𝐾4).
2. Calor latente de vaporização do líquido: 𝐿 = 2268 J/g.
3. 31⁴ = 923.521; 30⁴ = 810.000; 31⁵ = 28.629.151; 30⁵ = 24.300.000.

Coloca-se 460 g de um metal a 500 ^oC em um calorímetro, de capacidade térmica desprezível, com 100 g de água a 80 ^oC.

Considere que o calor específico da água é igual a 1 cal/(g.^oC), o calor latente de vaporização da água é igual a 540 cal/g e o calor específico do metal é igual a 0,14 cal/(g.^oC).

Após o equilíbrio térmico, a massa de água no estado líquido, disponível no calorímetro é

Leia o caso a seguir.

Durante o projeto de um novo setor de aquecimento em uma indústria de alimentos, engenheiros químicos avaliaram o uso de quatro líquidos diferentes como fluido de trabalho em um trocador de calor. Esse fluido circularia em circuito fechado, aquecido entre 100 °C e 150 °C, para aquecer uma mistura aquosa mais fria. Para que a operação fosse segura e eficiente, o fluido de trabalho deveria escoar pelas tubulações sem exigir grandes pressões de bombeamento, evitando sobrecarga de bombas e conexões; permanecer estável na faixa de temperaturas utilizada, reduzindo o risco de formação de vapores inflamáveis; favorecer a transferência rápida de calor entre as superfícies metálicas e a mistura aquosa, diminuindo o tempo necessário para atingir a temperatura desejada; e aproveitar bem o aquecimento recebido, de modo que não fossem necessários grandes ajustes na quantidade de fluido no circuito para manter o processo nas condições previstas.

Os dados obtidos para as quatro substâncias candidatas estão apresentados na tabela a seguir:

Quais substâncias são escolhas viáveis para atuar como fluido de trabalho nesse trocador de calor?