15 questões oficiais da PISM sobre Termologia e calorimetria, de 2017 a 2026, com gabarito e resolução comentada. Dificuldade estimada: 9 fáceis, 6 médias.
Treine Termologia e calorimetria com 15 questões da PISM
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Sabe-se que o ponto de ebulição da água é igual a 100 °C ao nível do mar, mas diminui com a altitude. Por exemplo, em La Paz, capital da Bolívia, a água ferve a 90 °C. Estando a temperatura de La Paz em 18 °C, uma mãe deseja dar banho em seu filho pequeno numa banheira que contém 50 litros de água em equilíbrio térmico com o ambiente.
Qual o volume de água fervente que ela deve jogar na banheira para que a água atinja 26 °C? Considere trocas de calor apenas entre as águas quente e fria.
A
1,92 litros
B
2,77 litros
C
3,46 litros
D
5,00 litros
E
6,25 litros
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Gabarito: E
Só há troca de calor entre a água fervente (90 °C em La Paz) e a água fria (18 °C). Como são da mesma substância, o calor específico se cancela e a massa é proporcional ao volume.
1. Balanço de calor Qcedido = Qrecebido V × (90 − 26) = 50 × (26 − 18)
2. Conta 64 V = 400 V = 400 ÷ 64 = 6,25 L
Resposta: E
Por que as outras atraem: quem usa 100 °C como temperatura da água fervente encontra 50 × 8 ÷ 74 ≈ 5,4 L, que não está entre as opções; o dado da altitude existe justamente para usar 90 °C.
Dica: em misturas da mesma substância, vale m1·ΔT1 = m2·ΔT2, sem precisar do calor específico.
Termômetros infravermelhos utilizados em hospitais são dispositivos utilizados para medir temperatura de pessoas sem contato direto com elas. Seu funcionamento se baseia no princípio físico de que qualquer material com temperatura da ordem de 36 °C emite radiação infravermelha, cuja intensidade total da radiação emitida (Irad(T)) aumenta com a temperatura do objeto, conforme a equação:
Irad(T) = εσT4.
σ = 5,7 W m−2 K−4 é um valor constante chamado de constante de Stefan-Boltzman e ε é um parâmetro adimensional que pode assumir valores entre 0 e 1, dependendo das características do material, chamada de emissividade. Para a pele humana, por exemplo, ε é da ordem de 0,98. Para o plástico claro, ε é igual a 0,94.
Alguns termômetros de infravermelho possuem uma mira laser para sinalizar o local onde a temperatura será realizada.
A
a intensidade da radiação infravermelha pode ser medida em graus Celsius.
B
a temperatura de uma pessoa pode ser medida com este tipo de termômetro, sem perda de precisão, através de materiais transparentes, como vidro e plástico.
C
só é possível medir a medida de temperatura de seres vivos.
D
devido à radiação não podem ser utilizados indiscriminadamente, pois podem provocar câncer.
E
um objeto quente próximo ao ponto de medição pode interferir no valor da temperatura fornecido pelo termômetro.
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Gabarito: E
O termômetro infravermelho não toca a pessoa: ele capta a radiação infravermelha que chega ao sensor e, pela relação I = εσT4, converte essa intensidade em temperatura.
E – correta. Todo corpo emite infravermelho, e um objeto quente emite mais (a intensidade cresce com T4). Se ele estiver perto do ponto medido, parte da sua radiação entra no sensor e altera a leitura.
A: intensidade de radiação é potência por área (W/m²); graus Celsius medem temperatura.
B: entre a pessoa e o termômetro, o vidro ou o plástico absorve boa parte do infravermelho e emite a própria radiação (ε = 0,94 para o plástico). O aparelho passa a medir a temperatura do anteparo, não a da pessoa.
C: qualquer material emite infravermelho; o termômetro mede também objetos.
D: o aparelho apenas recebe radiação; o infravermelho emitido pelo corpo não é ionizante, e a mira laser só indica o ponto.
Resposta: E
Dica: termômetro infravermelho mede "o que chega ao sensor"; tudo que emite ou bloqueia infravermelho no caminho atrapalha.
Um técnico e uma técnica trabalhavam na preparação de um forno para aquecimento de ligas metálicas em uma indústria metalúrgica na cidade de Juiz de Fora. Esse forno não possuía um bom isolamento térmico, sendo possível sentir o calor emanado dele a alguns metros de distância. Enquanto revisavam informações importantes sobre o funcionamento do forno e sobre a Física envolvida nesse processo, perceberam que:
A
o forno perde uma parte de sua energia por meio da radiação térmica, sem precisar do processo de convecção, já que as pessoas podem sentir o calor emanado por ele a alguns metros de distância.
B
a quantidade de calor que precisa ser fornecida por esse forno a uma massa m de uma determinada liga metálica sólida para se realizar uma variação de temperatura ΔT não depende do valor de ΔT.
C
esse forno permite variação de temperatura de até 1800 °F em uma hora. Em termos da escala Celsius, mais familiar no Brasil, isso significa que se pode realizar variação de temperatura de até 1800 °C em uma hora.
D
mantida uma taxa de calor constante fornecida do forno para uma amostra de liga metálica qualquer colocada dentro dele, o intervalo de tempo para a temperatura dessa liga aumentar de 200 °C não depende da massa da amostra.
E
a quantidade de calor fornecida por esse forno para aumentar a temperatura de 10 kg de chumbo desde 100 °C até 500 °C não depende do calor latente de fusão desse metal, mesmo sabendo que o ponto de fusão do chumbo encontra-se em 327,5 °C.
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Gabarito: A
A: correta. O calor chega a quem está a alguns metros por radiação térmica (ondas eletromagnéticas, infravermelho), que não precisa de meio material nem de convecção.
B: errada. Q = m·c·ΔT: o calor depende diretamente de ΔT.
C: errada. Variação de 180 °F corresponde a 100 °C (ΔTC/100 = ΔTF/180). Então 1800 °F de variação equivalem a 1000 °C, não 1800 °C.
D: errada. Com potência fixa, t = m·c·ΔT/P: amostra de maior massa demora mais.
E: errada. De 100 °C a 500 °C o chumbo passa pela fusão (327,5 °C), então é preciso também o calor latente: Q = m·c·ΔT + m·L.
Resposta: A.
Dica: variação de temperatura converte com 100 °C ↔ 180 °F (sem o 32, que só entra na conversão de temperaturas).
Joana trabalha em um laboratório de pesquisa de uma Universidade Pública Brasileira. Nesse laboratório, ela precisa resfriar um determinado material (uma substância pura) que se encontra no estado líquido de modo que ele se torne um sólido, pois somente nesse estado da matéria ele pode ser utilizado em seu trabalho. Ela precisou interpretar um gráfico enviado pelo fabricante do material que mostra o seu resfriamento em função do tempo. Esse gráfico pode ser visto na Figura 1 ao lado. Nele, a sua temperatura está na escala Fahrenheit. O material está inicialmente na fase líquida e ao final do processo, encontra-se na fase sólida. Importante lembrar que -40 °C = -40 °F. Os valores nas escalas Celsius e Kelvin para a mudança de fase de líquido para sólido desse material são dados, respectivamente, por:
Valores marcados nos eixos do gráfico: T(°F) = 0, -58 e -80; t(s) = 0, 300, 800 e 1.000. A temperatura cai de 0 °F a -58 °F entre 0 e 300 s, fica constante em -58 °F de 300 s a 800 s e cai até -80 °F em 1.000 s.
A
-14,5 °C e 258,5 K;
B
-162 °C e 111 K;
C
-46,8 °C e 226,2 K;
D
-162 °C e 223 K;
E
-50 °C e 223 K.
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Gabarito: E
No gráfico de resfriamento, a temperatura cai até −58 °F, fica constante de 300 s a 800 s e depois volta a cair até −80 °F. O patamar é a mudança de fase (solidificação), que numa substância pura ocorre a temperatura constante.
1. Para Celsius. C/5 = (F − 32)/9 ⇒ C = 5 × (−58 − 32) ÷ 9 = 5 × (−90) ÷ 9 = −50 °C.
2. Para Kelvin. T = C + 273 = −50 + 273 = 223 K.
Resposta: E
Por que as outras atraem: D acerta o kelvin mas erra a conversão para Celsius; quem usa −80 °F (o fim do gráfico, já sólido) ou erra a fórmula cai em A ou C.
Dica: o patamar horizontal num gráfico de aquecimento ou resfriamento indica mudança de estado.
* Na solução dessa prova, use quando necessário: g = 10 m/s²; sen(30°) = 1/2.
Considere um sensor de temperatura formado por dois pinos metálicos, A e B, de forma que tenham uma de suas extremidades presa à parede do sensor e as extremidades livres voltadas uma para a outra, conforme a figura ao lado. O sensor está inserido em um equipamento industrial cuja temperatura inicial é 15°C e durante o seu funcionamento somente pode operar até a temperatura limite de 65°C.
Observamos que na temperatura inicial o pino A tem tamanho igual a 3 cm, enquanto o pino B possui 2 cm de comprimento e estão afastados de uma distância X entre suas extremidades livres. Sabendo-se que o coeficiente de dilatação linear do pino A é igual a 2x10-5 °C-1 e que o do pino B é igual a 4x10-5 °C-1, qual deve ser a separação ajustada ente os pinos, em cm, para que entrem em contato e acionem o circuito elétrico de alerta ao atingir a temperatura máxima permitida pelo equipamento? Desconsidere a dilatação da própria base do sensor onde os pinos se encontram.
A
1x10-3 cm.
B
3x10-3 cm.
C
5x10-3 cm.
D
7x10-3 cm.
E
9x10-3 cm.
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Gabarito: D
Na figura, os dois pinos estão presos em paredes opostas e apontam um para o outro, separados por X. Ao aquecer, os dois crescem em direção ao vão, então X deve ser a soma das dilatações.
ΔT = 65 − 15 = 50 °C. Use ΔL = L0 × α × ΔT.
1. Pino A: ΔLA = 3 × 2 × 10-5 × 50 = 3 × 10-3 cm
2. Pino B: ΔLB = 2 × 4 × 10-5 × 50 = 4 × 10-3 cm
3. Separação: X = 3 × 10-3 + 4 × 10-3 = 7 × 10-3 cm
Resposta: D.
Por que as outras atraem: B é só a dilatação do pino A; A é a diferença entre as duas dilatações.
Dica: quando duas peças crescem uma em direção à outra, o vão fecha com a soma das dilatações.
Em uma aula sobre escalas de temperatura, termômetros sem escala foram fornecidos aos alunos de dois grupos, A e B, para que criassem suas próprias escalas lineares. Ambos os grupos tomaram como pontos fixos a fusão do gelo e a ebulição da água. Para a fusão do gelo, o grupo A atribuiu o valor 0, e o grupo B atribuiu o valor 10. Para a ebulição da água, o grupo A atribuiu o valor 100, e o grupo B atribuiu o valor 30. Se a temperatura para o grupo A é representada por TA, e para o grupo B ela é representada por TB, qual é a relação termométrica entre estas duas escalas?
A
TA = 100 TB + 20
B
TA = 20 TB – 200
C
TA = 5 TB
D
TA = 100 TB – 20
E
TA = 5 TB – 50
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Gabarito: E
Escalas lineares: a mesma temperatura ocupa a mesma fração do intervalo entre fusão e ebulição nas duas escalas.
