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.

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.

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.

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:

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

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 $W=P_0{V}_0\ln \left(\frac{V_f}{V_0}\right)$

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.

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?

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

Uma pessoa de 90 kg percorreu 10 km em 1 hora. O comprimento médio de suas passadas foi de 1 metro e em cada passada seu centro de massa se elevava em média 10 cm do solo. Considere a eficiência metabólica na conversão de energia de 20%, a aceleração da gravidade igual a 9,8 m/s² , o coeficiente de arrasto aerodinâmico igual a 1,2, a densidade do ar igual a 1,23 kg/m³ , e a área frontal da pessoa igual a 0,7 m² . Desprezando quaisquer outras forças, quais foram, aproximadamente, o trabalho total realizado e as calorias consumidas?

Um confeiteiro prepara caramelo aquecendo açúcar em uma panela. Conforme a temperatura sobe, os grânulos de açúcar gradualmente derretem em um líquido claro antes de escurecer para uma cor marrom, acompanhado pela liberação de um aroma distinto. Mais tarde, ao fazer manteiga caseira, o confeiteiro agita vigorosamente um pote de creme de leite fresco. Com o tempo, o líquido suave engrossa, separando-se em uma massa sólida (manteiga) e uma substância aquosa (leitelho). As duas situações referem-se, respectivamente, a transformações do tipo

O calor específico do chumbo é 0,030 cal/g.ºC. 100 gramas de chumbo aquecido a 100 ºC são misturados a 100 g de água a 69,1 ºC. Tem-se assim que a temperatura final da mistura é, aproximadamente:

Uma massa m=6,6 kg de um certo alimento a 47ºC foi colocada para resfriar dentro de um refrigerador que está a 2,0ºC, cuja eficiência é 20% de um refrigerador ideal (Carnot). Considere que o calor é removido do interior do refrigerador exclusivamente pelo trabalho do motor refrigerador, cuja potência é de 6,0^.10² Btu/h. Sabendo que o calor removido do refrigerador é rejeitado em um reservatório térmico a 27ºC, em quantos minutos, aproximadamente, o alimento estará em equilíbrio térmico com o interior do refrigerador? Considere que, até entrar em equilíbrio térmico, o alimento não solidifica, apenas resfria, e seu calor específico é de 3,6^.10³J/(kg.X).

Dado: 1 Btu/h = 0,3 W.

Considere um sistema isolado onde dois corpos de materiais diferentes, A e B, inicialmente a temperaturas diferentes, são colocados em contato térmico até atingirem o equilíbrio térmico. O calor específico do material A é c_A e o calor específico do material B é c_B. Analise as afirmações a seguir e determine se a asserção e a razão estão corretas, e se a razão justifica a asserção:

I - No equilíbrio térmico, a quantidade de calor cedida pelo corpo de maior temperatura é igual à quantidade de calor recebida pelo corpo de menor temperatura.

PORQUE

II - O princípio da conservação de energia afirma que, em um sistema isolado, a energia total permanece constante, e, portanto, a soma das trocas de calor entre os corpos deve ser nula.