Objetivo da atividade
Consolidar os conceitos fundamentais de termologia — diferença entre calor e temperatura, conversão entre as escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin, dilatação térmica e transferência de energia — aplicando-os à interpretação de situações reais, no estilo das questões do ENEM. Ao final, você deve ser capaz de analisar fenômenos do cotidiano envolvendo trocas de calor e variações de temperatura usando linguagem física correta.
Instruções para os alunos
- Leia cada enunciado com atenção; muitas questões trazem informações no contexto que são essenciais para a resposta.
- Nas questões objetivas, marque apenas uma alternativa.
- Nas questões de cálculo, registre a fórmula utilizada, a substituição dos valores e o resultado com a unidade correta no SI.
- Considere o calor específico da água igual a 1 cal/(g·°C) sempre que necessário.
- Use as relações entre escalas: tC/5 = (tF − 32)/9 = (T − 273)/5, em que tC está em Celsius, tF em Fahrenheit e T em Kelvin.
Questões
Questão 1. Durante uma onda de calor, um jornalista afirmou: "A sensação térmica é tão alta que o ar parece carregar mais calor". Do ponto de vista físico, a diferença entre calor e temperatura é que:
a) calor e temperatura são sinônimos quando se trata de ar. b) temperatura mede a energia total das moléculas, e calor mede a velocidade média delas. c) temperatura está associada ao grau de agitação das moléculas, e calor é a energia térmica em trânsito entre corpos de temperaturas diferentes. d) calor é uma propriedade que cada corpo possui armazenada, e temperatura é a energia que ele troca. e) calor só existe em corpos quentes, e temperatura só existe em corpos frios.
Questão 2. Uma receita de bolo americana pede que o forno seja aquecido a 350 °F. Para usar um forno graduado em Celsius, a que temperatura aproximada essa marca corresponde?
a) 150 °C b) 162 °C c) 177 °C d) 195 °C e) 210 °C
Questão 3. Em um laboratório, registra-se a temperatura de uma amostra como 27 °C. Esse valor, convertido para a escala Kelvin, equivale a:
a) 246 K b) 273 K c) 300 K d) 320 K e) 354 K
Questão 4. Existe uma temperatura em que os valores numéricos nas escalas Celsius e Fahrenheit são iguais. Determine esse valor, mostrando os cálculos.
Questão 5. Os trilhos de uma ferrovia são instalados com pequenas folgas entre os segmentos. Em um dia de verão, com forte aumento de temperatura, observa-se que essas folgas diminuem. A explicação física para a existência dessas folgas e para o que se observa é:
a) os trilhos se contraem com o calor, por isso a folga aumenta no verão. b) os trilhos se dilatam com o aumento da temperatura, e a folga existe justamente para acomodar essa dilatação sem entortar. c) a folga não tem relação com a temperatura; serve apenas para drenar a água da chuva. d) o metal perde massa quando aquecido, reduzindo o comprimento dos trilhos. e) a dilatação só ocorre em líquidos e gases, nunca em sólidos como o aço.
Questão 6. Um cabo de aço de uma ponte tem 200 m de comprimento a 20 °C. O coeficiente de dilatação linear do aço vale 1,2 × 10⁻⁵ °C⁻¹. Calcule a variação de comprimento do cabo quando a temperatura sobe para 45 °C. Use ΔL = L0·α·Δθ.
Questão 7. Para resfriar uma bebida, é mais eficiente colocar gelo no líquido do que água gelada na mesma temperatura do gelo derretido. Isso ocorre porque, ao derreter, o gelo:
a) aumenta de temperatura antes de derreter, esfriando a bebida. b) absorve uma grande quantidade de calor da bebida para mudar de estado, sem variar a temperatura durante a fusão. c) libera calor para a bebida, acelerando o resfriamento. d) diminui a massa total do líquido, reduzindo a temperatura. e) transfere frio para a bebida, pois o frio se desloca do gelo para o líquido.
Questão 8. Calcule a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 500 g de água de 20 °C para 80 °C. Considere o calor específico da água igual a 1 cal/(g·°C) e use Q = m·c·Δθ. Expresse o resultado em calorias.
Questão 9. Em uma cozinha, percebe-se que a colher de metal deixada dentro de uma panela de sopa quente fica rapidamente quente até o cabo, enquanto uma colher de madeira na mesma sopa permanece com o cabo morno por mais tempo. Esse comportamento se explica porque:
a) a madeira é melhor condutora de calor do que o metal. b) o metal é bom condutor de calor, transferindo energia por condução de forma mais rápida que a madeira, que é isolante térmico. c) o calor sobe pela colher por convecção, independentemente do material. d) a madeira possui temperatura inicial maior que a do metal. e) o metal reflete o calor da sopa, enquanto a madeira o absorve.
Questão 10. Dois corpos, A e B, são colocados em contato dentro de um recipiente termicamente isolado. O corpo A está a 80 °C e o corpo B, a 30 °C. Descreva, com base na termologia, o que acontece com as temperaturas dos dois corpos ao longo do tempo até o sistema atingir o equilíbrio térmico, indicando o sentido em que o calor é transferido.
Gabarito
Questão 1 — Alternativa C. Temperatura mede o grau de agitação (energia cinética média) das moléculas; calor é energia térmica em trânsito, que flui espontaneamente do corpo de maior para o de menor temperatura. As demais alternativas confundem os dois conceitos.
Questão 2 — Alternativa C. Usando tC/5 = (tF − 32)/9: tC = 5·(350 − 32)/9 = 5·318/9 = 1590/9 ≈ 176,7 °C, ou seja, aproximadamente 177 °C.
Questão 3 — Alternativa C. A conversão para Kelvin é T = tC + 273 = 27 + 273 = 300 K.
Questão 4 — Resolução. Queremos o valor em que tC = tF. Partindo de tC/5 = (tF − 32)/9 e fazendo tC = tF = x: x/5 = (x − 32)/9 9·x = 5·(x − 32) 9x = 5x − 160 4x = −160 x = −40 Logo, −40 °C = −40 °F. Esse é o único valor em que as duas escalas coincidem numericamente.
Questão 5 — Alternativa B. Sólidos também se dilatam ao serem aquecidos. A folga entre os trilhos existe para acomodar a dilatação; no verão, com a temperatura alta, os trilhos se alongam e as folgas diminuem. Se não houvesse folga, os trilhos entortariam.
Questão 6 — Resolução. Dados: L0 = 200 m, α = 1,2 × 10⁻⁵ °C⁻¹, Δθ = 45 − 20 = 25 °C. ΔL = L0·α·Δθ = 200 × 1,2 × 10⁻⁵ × 25 ΔL = 200 × 25 × 1,2 × 10⁻⁵ = 5000 × 1,2 × 10⁻⁵ ΔL = 6 × 10⁻² m = 0,06 m = 6 cm. O cabo se alonga 6 cm.
Questão 7 — Alternativa B. A fusão do gelo é uma mudança de estado que ocorre a temperatura constante (0 °C) e exige calor latente. Para derreter, o gelo retira muito calor da bebida sem se aquecer, o que resfria o líquido de forma mais eficiente do que a água já líquida na mesma temperatura.
Questão 8 — Resolução. Dados: m = 500 g, c = 1 cal/(g·°C), Δθ = 80 − 20 = 60 °C. Q = m·c·Δθ = 500 × 1 × 60 = 30 000 cal = 30 kcal. São necessárias 30 000 calorias (30 quilocalorias).
Questão 9 — Alternativa B. O metal é um bom condutor térmico: a energia se propaga rapidamente por condução, de molécula a molécula, até o cabo. A madeira é isolante térmico (mau condutor), por isso seu cabo demora a esquentar.
Questão 10 — Resolução. Como o corpo A está mais quente (80 °C) que o corpo B (30 °C), o calor flui espontaneamente de A para B. Com o tempo, a temperatura de A diminui e a de B aumenta. Por estarem em um recipiente isolado, não há trocas com o ambiente, e o processo continua até que ambos atinjam a mesma temperatura intermediária (entre 30 °C e 80 °C): é o equilíbrio térmico, no qual cessa o fluxo líquido de calor entre eles.