Princípio geral da troca de calor – Aula 2 – Física Enem

Nesta aula vamos, mais uma vez, aplicar o princípio geral das trocas de calor:

Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + … + Qn = 0

Desta vez realizaremos trocas de calor que provocarão variações de temperaturas e também mudanças de estado físico.

Dica 1 – O calor é transferido espontaneamente de um corpo “mais quente” para o “mais frio”. Estude com a Aula  1 de Princípio Geral da Troca de Calor e fique preparado para prova de Física Enem – https://blogdoenem.com.br/principio-geral-da-troca-de-calor/

Já sabemos que o calor que provoca variação de temperatura é denominado calor sensível e calculado pela expressão:

Q = m ⋅ c ⋅Δθ

Sabemos também que o calor que provoca mudança de estado físico é chamado calor latente e calculado por:

Q = m ⋅ L

É importante ressaltar que nas mudanças de estado físico que exigem um recebimento de calor (a sublimação, a fusão e a vaporização) a quantidade de calor Q é positiva (calor recebido). Por outro lado, nas mudanças de estado físico que exigem uma perda de calor (a sublimação inversa, a solidificação e a condensação) a quantidade de calor Q é negativa (calor perdido).

Assim, podemos dizer, por exemplo: Lfusão do gelo = 80 cal/g, Lsolidificação da água = – 80 cal/g, Lvaporização da água = 540 cal/g e Lcondensação da água = – 540 cal/g.

Dica 2 – Relembre sobre Calor sensível e Calor latente nesta aula de Física Enem. Estude conosco e fique preparado para o Exame Nacional do Ensino Médio! – https://blogdoenem.com.br/calor-sensivel-e-calor-latente-revisao-de-fisica-enem/

Aplicação numérica

Em um recipiente termicamente isolado e de capacidade térmica desprezível que contém 500 g de água a 80 °C é colocado um bloco de gelo em fusão a 0 °C.

São dados: cágua = 1 cal/(g·ºC) e Lfusão do gelo = 80 cal/g.

Se o equilíbrio térmico da mistura é alcançado a 20 °C, qual é a massa m do bloco de gelo?

Resolução

Vamos esboçar a curva de aquecimento e de resfriamento dos corpos.

Devemos observar que, durante a troca de calor, o bloco de gelo sofrerá fusão completa ao receber a quantidade de calor Q1 e a água resultante da fusão desse gelo, a 0 °C, será aquecida até 20 °C, a temperatura final de equilíbrio, ao receber a quantidade de calor Q2. Enquanto isso, a água, inicialmente a 80 °C, apenas será resfriada a 20 °C, ao perder a quantidade de calor Q3.

Então, do princípio geral das trocas de calor, temos:

Q1 + Q2 + Q3 = 0

Substituindo as grandezas conhecidas, obtemos:

m · 80 + m · 1 · (20 – 0) + 500 · 1 · (20 – 80) = 0→

m · 80 + m · 20 ˗ 30000 = 0→

m · 100 = 30000→

m = 300 g

Saiba mais sobre Troca de Calor nestas duas aulas do nosso canal Curso Enem Gratuito, disponível no Youtube. Após assistir, revise o que você aprendeu respondendo aos nossos desafios!

Desafios

Questão 1

(UECE) Uma garrafa térmica, de capacidade térmica desprezível, contém 980 g de água à temperatura de 28 ºC. Para refrigerar a água, são introduzidos na garrafa cubos de gelo de 25 g cada, a 0 ºC, e a seguir a tampa é fechada. Considere que o calor latente de fusão do gelo é 80 cal/g e o calor específico da água é 1,0 cal/(g·ºC). Quantos cubos de gelo devem ser introduzidos na garrafa, para se obter água a 18 ºC?

a) 5

b) 4

c) 3

d) 2

Dica 3 – Nesta aula de Física Enem vamos estudar sobre a Dilatação Térmica dos Líquidos e saber por que a água, ao ser aquecida, não reage como os outros líquidos – https://blogdoenem.com.br/dilatacao-termica-dos-liquidos-fisica-enem/

Questão 2

(Mack–SP) Para certo procedimento industrial, necessita-se de água a 20 °C, mas só se dispõe de água no estado sólido a 0 °C (gelo) e água fervente a 100 °C. Considere o calor latente de fusão da água igual a 80 cal/g e o calor específico da água igual a 1 cal/(g·°C). A relação entre a massa de gelo e a massa de água fervendo que se deve misturar em um recipiente adiabático, para a obtenção do desejado, é:

a) 4/5

b) 3/4

c) 2/3

d) 1/2

e) 1/3

Questão 3

(UFG) A temperatura típica de uma tarde quente em Aruanã, cidade do estado de Goiás, situada às margens do rio Araguaia, é de 37 °C. Os banhistas, nas areias do rio Araguaia, usam cubos de gelo para resfriar um refrigerante que se encontra à temperatura ambiente. Em um recipiente de isopor (isolante térmico de capacidade térmica desprezível) são adicionados 300 mL do refrigerante. Considere que o calor específico e a densidade de massa do refrigerante sejam iguais aos da água. Adote: calor latente de fusão da água igual a 80 cal/g e calor específico da água igual a 1 cal/(g·°C). Calcule qual deve ser a mínima quantidade de gelo a ser adicionada ao refrigerante para reduzir sua temperatura a 12 °C.

a) 150,0 g

b) 125,5 g

c) 81,5 g

d) 74,5 g

e) 63,5 g

Questão 4

(UEL – PR) Um recipiente de capacidade térmica 50 cal/ºC contém 200 g de água a 40 ºC. Introduz-se no recipiente 50 g de gelo a 0 ºC. Admitindo que não há trocas de calor com o ambiente, a temperatura final de equilíbrio, em ºC, é:

a) 24

b) 20

c) 15

d) 12

e) zero

Dados: calor específico da água = 1 cal/(g·ºC); calor latente de fusão do gelo = 80 cal/g

Questão 5

(PUCCamp – SP) Um forno aquecido a carvão atinge a temperatura θ. Uma peça de aço de massa 400 g é retirada do forno a essa temperatura e introduzida, juntamente com 40 g de gelo a −20 °C, em um calorímetro de cobre de capacidade térmica 40 cal/°C que está à temperatura de 20 °C. O equilíbrio térmico é estabelecido a 80 °C. Nestas condições, a temperatura θ do forno, em °C, vale:

Dados:

Calor específico da água = 1,0 cal/(g·°C)

Calor específico do gelo = 0,50 cal/(g·°C)

Calor específico do aço = 0,10 cal/(g·°C)

Calor latente de fusão do gelo = 80 cal/g

a) 270

b) 290

c) 310

d) 330

e) 350