Potência de uma fonte térmica
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. 1) Como relacionar de maneira controlada as grandezas que envolvem o aquecimento de um sistema? 2) Uma dona de casa, orgulhosa de seu fogão que ferve 6,0 3) Um cronômetro pode transformar-se num termômetro? 4) Quanto tempo, em média, você teria de correr para gastar a energia adquirida com a ingestão de um hambúrguer? 5) Como você poderia derreter duas pedras de gelo a –15°C dentro de uma câmara frigorífica sem usar o calor de suas mãos ou aquecedores? |
1. A Física e o cotidiano
Depois de pré-aquecidos, os alimentos entram em equilíbrio térmico com o ambiente do forno.
| (QA + QB = 0) |
O gás e o oxigênio promovem a combustão nos queimadores (Q = q . m).
q: calor específico de combustão
m: massa de gás
Podemos relacionar o calor para aquecer o alimento com o tempo:
 |
2. A Física e o mundo
A potência de uma fonte térmica também pode ser utilizada para analisarmos sistemas que não sejam necessariamente máquinas térmicas.
A energia consumida e utilizada por um ser humano pode ser calculada em kcal e sua potência, em kcal/h ou kcal/dia 
A tabela abaixo apresenta uma utilização dessa relação da energia térmica com a atividade humana
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Vocábulos e expressões da língua inglesa relacionados com potência de uma fonte térmica POWER: The rate of performing work or transferring energy power measures how quickly the work is done. It’s always expressed in units of energy divided by units of time. |
3. A Física e o laboratório
As fontes térmicas mais comuns em um laboratório são os bicos de Bunsen e os aquecedores elétricos de imersão (ebulidores).
Eles estão representados a seguir, no aquecimento de uma certa massa m de água, num intervalo de tempo 
t medido por um cronômetro, para provocar uma variação de temperatura 
sem ocorrer mudança de estado.
A potência Pot desses aparelhos, em relação a esse processo, pode ser calculada pela expressão:
 | Þ |
|
Q 
calor sensível
c calor específico sensível da água
Se a potência da fonte térmica é constante, podemos relacionar a variação de temperatura 
com a variação do tempo t por meio do seguinte gráfico:
4. A Física e a evolução de seus conceitos
Cálculo da potência da fonte térmica
Os sistemas que produzem calor (estrelas, aquecedores elétricos, fogões a gás) podem ter seus desempenhos analisados à luz dos conceitos de energia mecânica como transformação, conservação, trabalho e potência.
Assim, se uma fonte térmica produz certa quantidade de calor Q, num intervalo de tempo t, podemos definir sua potência Pot pela expressão:
As unidades mais utilizadas para essas grandezas são mostradas no quadro abaixo:
| Potência (Pot) | Calor (Q) (energia) | Intervalo de tempo (Dt) |
|---|---|---|
 | caloria (cal) | minuto (min) |
 | caloria (cal) | segundo (s) |
watt (W) =  | joule (J) | segundo (s) |
| quilowatt (kW) | quilowatt-hora (kWh) | hora (h) |
Importante 1,0kcal = 1 000cal 1,0kWh = 3 600 000J 735W = 1,0cv (cavalo-vapor) 746W = 1,0hp (horse power) 1,0min = 60s 1,0h = 3600s |
500 a.C.: Platão diz que o calor e o fogo, que geram e sustentam todas as coisas, são em si origina dos por impacto e fricção. 1790: James Watt desenvolve a má quina a vapor de Newcomen e mostra que o calor pode ser transformado em trabalho mecânico.
1800: Humphry Davy impressiona a comunidade científica ao derreter gelo, num dia de inverno rigoroso (–15°C), atritando um bloco no outro. Demonstra, assim, que o calor necessário para a fusão era criado pelo movimento (energia cinética).
1842: J.R. Mayer reúne e sistematiza todo o conhecimento de sua época sobre o calor e o insere no contexto energético, subordinando-o aos conceitos de conservação e transformação.
1843: James Prescott Joule encontra experimentalmente o equivalente mecânico do calor (1,0cal = 4,2J) e permite o cálculo da potência das fontes térmicas.
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Exercícios propostos
1. (VUNESP-INSTITUTO EMBRAER-MODELO ENEM) – Um calorímetro (A) contendo água quente foi conectado, por meio de uma barra metálica, a outro calorímetro (B) contendo em seu interior água fria. Em cada um desses calorímetros, foi colocado um termômetro para que a temperatura fosse medida de minuto em minuto durante 10 minutos. A ilustração a seguir representa o experimento.
Considerando-se que o volume de água é igual nos dois calorímetros, a partir dos registros de temperatura, foi elaborado um gráfico que registra a temperatura dos dois calorímetros durante os 10 minutos.
O gráfico que representa corretamente o resultado do experimento é:
a) 
b) 
c) 
d) 
e) 
2. (VUNESP – UCSC-MODELO ENEM) – Em um laboratório de análises clínicas, determinado material deve ser analisado quente a uma temperatura não superior a 80°C. Uma amostra de 100 g desse material, a 20°C, de calor específico sensível 1,0 cal/(g°C), é então inserta em um forno elétrico de potência útil 200W. Considere 1 cal equivalente a 4,2J e que toda a energia gerada pelo forno seja transferida para a amostra, que nesse processo não muda de estado físico.
O maior intervalo de tempo que a amostra deverá permanecer no interior do forno, para satisfazer as condições descritas, deve ser de:
a) 30s
b) 42s
c) 1min 6s
d) 2min 6 s
e) 2min 30s
3. (MEDICINA-ALBERT EINSTEIN-MODELO ENEM) – Nos veículos com motores refrigerados por meio líquido, o aquecimento da cabine de passageiros é feito por meio da troca de calor entre o duto que conduz o líquido de arrefecimento que circula pelo motor e o ar externo. Ao final, esse ar que se encontra aquecido é lançado para o interior do veículo
Num dia frio, o ar externo, que está a uma temperatura de 5°C, é lançado para o interior da cabine, a 30°C, a uma taxa de 1,5
/s. Determine a potência térmica aproximada, em watts, absorvida pelo ar nessa troca de calor.
a) 20
b) 25
c) 45
d) 60
e) 80
Quando necessário, adote:
|
4. (VUNESP-UNIVAG-MODELO ENEM) – Uma amostra de titânio, com massa 10 gramas e calor específico sensível igual a 520 J/(kg.K), é posta a 20°C no interior do corpo humano como prótese biocompatível. Até entrar em equilíbrio térmico com o corpo humano a 36°C, a quantidade de calor, em joules, que a amostra recebe é
a) 87,6
b) 77,8
c) 81,2
d) 90,4
e) 83,2
5. 
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.
Exercícios propostos
1. (VUNESP-SÃO CAMILO) – Em um aquecedor solar, o fluxo de água pela placa coletora é de 200/h e são transferidos para a água 3,36kJ de energia térmica a cada hora. Sendo a massa específica e o calor específico sensível da água iguais a 1,0kg/ e 4,2J/kg.°C, respectiva mente, e admitindo-se que não haja perda de calor, a elevação de temperatura da água, em °C, em uma hora é de
a) 1,6
b) 5,0
c) 0,25
d) 2,5
e) 4,0
2. (VUNESP-FEMA-MODELO ENEM) – O gráfico mostra o aumento de temperatura de 4,5 . 102g de água, em função do tempo, enquanto recebe de uma fonte de potência 4,0 . 103cal/min.
Considerando-se que o calor específico sensível da água é constante e vale 1,0 cal/g . °C, a quantidade de calor, em calorias, perdida para o ambiente durante os 8,0 minutos de aquecimento foi de:
a) 3,0 . 103
b) 4,0 . 103
c) 5,0 . 103
d) 6,0 . 103
e) 7,0 . 103
3. Durante a primeira fase do projeto de uma usina de geração de energia elétrica, os engenheiros da equipe de avaliação de impactos ambientais procuram saber se esse projeto esta de acordo com as normas ambientais. A nova planta estará localizada a beira de um rio, cuja temperatura média da água é de 25°C, e usará a sua água somente para refrigeração. 0 projeto pretende que a usina opere com 1,0 MW de potência elétrica e, em razão de restrições técnicas, o dobro dessa potência será dissipada por seu sistema de arrefecimento, na forma de calor. Para atender a resolução número 430, de 13 de maio de 2011, do Conselho Nacional do Meio Ambiente, com uma ampla margem de segurança, os engenheiros determinaram que a água só poderá ser devolvida ao rio com um aumento de temperatura de, no máximo, 3°C em relação à temperatura da água do rio captada pelo sistema de arrefecimento. Considere o calor específico da água igual a 4 kJ/(kg°C). Para atender essa determinação, o valor mínimo do fluxo de água, em kg/s, para a refrigeração da usina deve ser mais próximo de
a) 42.
b) 84.
c) 167.
d) 250. e) 500.
4. No manual fornecido pelo fabricante de uma ducha elétrica de 220V é apresentado um gráfico com a variação da temperatura da água em função da vazão para três condições (morno, quente e superquente). Na condição superquente, a potência dissipada é de 6 500 W. Considere o calor específico da água igual a 4 200 J/(kg °C) e densidade da água igual a 1 kg/L.
Com base nas informações dadas, a potência na condição morno corresponde a que fração da potência na condição superquente?
Gabarito
1. RESOLUÇÃO:
A temperatura de A diminui; a temperatura de B aumenta, ambas tendendo para a temperatura de equilíbrio térmico.
Resposta: C
2. RESOLUÇÃO:
Resposta: D
3. RESOLUÇÃO:
Resposta: C
4. RESOLUÇÃO:
Resposta: E
5. RESOLUÇÃO:
A potência é definida como a razão entre a energia transferida e o tempo gasto, isto é, é a rapidez com que a energia é transferida. A potência será máxima quando transmitirmos a maior quantidade de energia em menos tempo.
Resposta: C
Gabarito
1. RESOLUÇÃO:
Resposta: E
2. RESOLUÇÃO:
Resposta: C
3. RESOLUÇÃO:
Resposta: E
4. RESOLUÇÃO:
Resposta: D
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