MUDANÇAS DE ESTADO IV - BALANÇO ENERGÉTICO

 Mudanças de estado IV - balanço energético

Antes de iniciar seus estudos, reflita sobre as questões abaixo, forme suas opiniões e confronte-as com a teoria apresentada em seguida. Suas ideias e sugestões são muito importantes para enriquecer nosso ensino e o seu aprendizado. Além de cozinhar em tempo menor por aumento da temperatura, que procedimento adicional podemos adotar para economizar mais gás com a panela de pressão? Que fato explica o deslocamento das geleiras? É possível ferver a água abaixo de 100°C?

1. A Física e o cotidiano

O dinheiro sai como vapor

Na panela de pressão, a pressão interna elevada provoca aumento do ponto de ebulição (120°C). Essa temperatura permanece constante e é possível diminuir a intensidade da chama (economia de gás).

2. A Física e o mundo

O gelo que esquia

A diminuição da temperatura de fusão do gelo com o aumento da pressão explica, por exemplo, o deslocamento das geleiras nas regiões árticas: o gelo acumula-se até grandes alturas, aumentando consideravelmente a pressão na parte inferior; este aumento de pressão provoca a fusão do gelo aí existente e o consequente deslizamento da geleira.

3. A Física e o laboratório

Enche-se uma seringa com pequena quantidade de água destilada a uma temperatura um pouco abaixo da temperatura de ebulição. Fechando-se o bico, como mostra a figura A, e puxando rapidamente o êmbolo, verifica-se que a água entra em ebulição durante alguns instantes (veja figura B).

 

Podemos explicar este fenômeno considerando que, com a diminuição da pressão, a temperatura de ebulição da água fica menor do que a temperatura da água na seringa.

4. A Física e a evolução de seus conceitos

O diagrama de fases e a curva de aquecimento

O comportamento térmico das substâncias é fundamental para uma avaliação sobre o seu uso seguro em diversas condições de pressão e temperatura.

O diagrama de fases representa as transformações físicas que uma substância pode sofrer, quantificando as pressões e as temperaturas em que ocorrem.

A partir do diagrama de fases, podemos determinar os calores específicos sensíveis em cada estado (c), os latentes (L) das mudanças de um para outro estado e as curvas de aqueci mento para cada pressão.

 

Exercícios Propostos

1. (VUNESP-FMJU-MODELO ENEM) – Um calorímetro ideal contém 50g de água líquida, ambos em equilíbrio térmico a 20°C. Uma amostra de gelo, inicialmente a –40°C, é inserida no calorímetro, de modo a trocar calor apenas com a água líquida. Após certo tempo, registra-se uma temperatura de equilíbrio térmico de 0°C, restando apenas água na fase líquida no interior do calorímetro.

Sendo o calor específico sensível da água líquida e do gelo iguais a 1,0 cal/g.°C e 0,50 cal/g.°C, respectivamente, e o calor latente específico de fusão do gelo igual a 80 cal/g, a massa de gelo inserida no calorímetro foi:

a) 5,0g 

b) 10g 

c) 15g

d) 20g 

e) 25g

2. (OBF) – Um aluno mistura 800 g de água a 20°C com uma certa massa de gelo a – 20°C dentro de um recipiente com paredes adiabáticas. Diante do experimento, verifica que o sistema alcançou o equilíbrio térmico à temperatura de 10°C.

Qual a massa inicial de gelo?

Note e adote: Calor específico sensível do gelo: 0,50 cal/g°C Calor especifíco latente de fusão do gelo: 80 cal/g Calor específico sensível da água: 1,0 cal/g°C

3. (MODELO ENEM) – Num calorímetro de capacidade térmica de 4,0cal/°C con tendo 10g de gelo a 0°C, um técnico de materiais introduziu uma amostra de 100g de uma liga metálica a 100°C e o equilíbrio térmico ocorre a 50°C, como mostram as curvas de aquecimento do gelo, do calorímetro e da amostra da liga.

O calor específico sensível da liga, em cal/g°C, vale:

a) 0,30 

b) 0,40 

c) 0,50 

d) 0,60 

e) 0,80

Note e adote Calor específico sensível da água: 1,0cal/g°C Calor específico latente de fusão do gelo: 80cal/g

4. (PUC-RJ-MODELO ENEM) – Podemos estimar quanto é o dano de uma queimadura por vapor da seguinte maneira: considere que 0,60 g de vapor condense sobre a pele de uma pessoa. Suponha que todo o calor latente é absorvido por uma massa de 5,0 g de pele. Considere que o calor específico sensível da pele é igual ao da água: c = 1,0 cal / (g/°C).

Considere o calor latente específico de vaporização da água como L_v = (1000/3) cal/g = 333 cal/g.

Calcule o aumento da temperatura da pele devido à absorção do calor, em °C.

a) 0,60 

b) 20 

c) 40 

d) 80 

e) 333

5.  Sob pressão normal (ao nível do mar), a água entra em ebulição à temperatura de 100 °C. Tendo por base essa informação, um garoto residente em uma cidade litorânea fez a seguinte experiência:

• Colocou uma caneca metálica contendo água no fogareiro do fogão de sua casa.
• Quando a água começou a ferver, encostou cuidadosamente a extremidade mais estreita de uma seringa de injeção, desprovida de agulha, na superfície do líquido e, erguendo o êmbolo da seringa, aspirou certa quantidade de água para seu interior, tapando-a em seguida.
• Verificando após alguns instantes que a água da seringa havia parado de ferver, ele ergueu o êmbolo da seringa, constatando, intrigado, que a água voltou a ferver após um pequeno deslocamento do êmbolo.

Considerando o procedimento anterior, a água volta a ferver porque esse deslocamento

a) permite a entrada de calor do ambiente externo para o interior da seringa.

b) provoca, por atrito, um aquecimento da água contida na seringa.

c) produz um aumento de volume que aumenta o ponto de ebulição da água.

d) proporciona uma queda de pressão no interior da seringa que diminui o ponto de ebulição da água.

e) possibilita uma diminuição da densidade da água que facilita sua ebulição.

6.  Num dia em que a temperatura ambiente é de 37°C, uma pessoa, com essa mesma temperatura corporal, repousa à sombra. Para regular sua temperatura corporal e mantê-la constante, a pessoa libera calor através da evaporação do suor. Considere que a potência necessária para manter seu metabolismo é 120W e que, nessas condições, 20% dessa energia é dissipada pelo suor, cujo calor de vaporização é igual ao da água (540 cal/g). Utilize 1 cal igual a 4J.

Após duas horas nessa situação, que quantidade de água essa pessoa deve ingerir para repor a perda pela transpiração?

a) 0,8g 

b) 0,44g 

c) 1,30g 

d) 1,80g 

e) 80,0g

Gabarito

1. RESOLUÇÃO:

Q_gelo + Q_fusão + Q_água = 0

m . 0,50 . [0 – (– 40)] + m . 80 + 50 . 1,0 (0 – 20) = 0

20m + 80m – 1000 = 0

100m = 1000

m = 10 g

 

Resposta: B

2. RESOLUÇÃO:

 

3. RESOLUÇÃO:

 

Resposta: A

4. RESOLUÇÃO:

 

Resposta: C

5. RESOLUÇÃO:

A temperatura de ebulição da água depende da pressão externa a que ela está submetida. No nível do mar, sujeita à pressão atmosférica (1,0 . 10⁵ Pa), a temperatura de ebulição vale 100°C.

No interior da seringa, quando o êmbolo foi deslocado, a pressão externa diminuiu, o mesmo ocorrendo com a temperatura de ebulição da água, que passou a ferver.

Resposta: D

6. RESOLUÇÃO:

Resposta: E