Lista de exercicios/ elementos da fisica classica | Exercícios Física Clássica

Lista de exercícios – Fundamentos de Física Clássica

Prof. Karel Leal

Observações:

• Preste bastante atenção nas unidades de medida que são apresentadas nos

exercícios e nas respostas solicitadas nos mesmos;

• A lista deve ser entregue no dia 28 de FEVEREIRO de 2025 de forma individual;

• Essa lista, como combinado no início do semestre, compreende parte importante

da nota final da nossa componente. Faça as questões aos poucos pois o prazo é

confortável. NÃO DEIXE TUDO PARA O FIM DO PRAZO!

1) Duas barras metálicas finas, uma de zinco e outra de ferro, cujos comprimentos, a uma

temperatura de 300K, valem 5,0m e 12,0m, respectivamente, são sobrepostas e

aparafusadas uma à outra em uma de suas extremidades, conforme ilustra a figura. As

outras extremidades B e A das barras de zinco e ferro, respectivamente, permanecem

livres. Os coeficientes de dilatação linear do zinco e do ferro valem 3,0.10-5K-1 e 1,0.10-

5K-1, respectivamente. Desprezando as espessuras das barras, determine: a) a variação da

distância entre as extremidades A e B quando as barras são aquecidas até 400K; b) a

distância até o ponto A de um ponto C da barra de zinco cuja distância ao ponto A não

varia com a temperatura.

2) A tampa de zinco de um frasco de vidro agarrou no gargalo de rosca externa e não foi

possível soltá-la. Sendo os coeficientes de dilatação linear do zinco e do vidro

respectivamente iguais a 30.10-6 e 8,5.10-6 °C-1, como proceder? Justifique sua resposta.

Temos à disposição um caldeirão com água quente e outro com água gelada.

3) Um tanque de aço é completamente cheio com 2,80m³ de álcool etílico quando tanto o

tanque quanto o álcool etílico está à temperatura de 32°C. Quando o tanque e seu

conteúdo tiverem esfriado até 8°C, que volume adicional de álcool etílico pode ser

colocado dentro do tanque?

4) Você precisa descobrir o calor específico de uma amostra de metal. Você pesa a amostra

e descobre que seu peso é 28,4N. Você acrescenta, cuidadosamente, 1,25.104J à amostra

e descobre que sua temperatura sobe 18°C. Qual é o calor específico da amostra?

5) Em climas muito frios, um mecanismo importante na perda de calor pelo corpo humano

é a energia gasta para aquecer o ar nos pulmões a cada respiração. a) em um dia de inverno

muito frio, quando a temperatura é -20°C, qual é a quantidade de calor necessária para

aquecer 0,50L de ar trocado na respiração até atingir a tempeeratura do corpo humano

(37°C)? b) Suponha que o calor específico do ar seja 1020J/kg.K e que a massa de 1L de

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Lista de exercícios – Fundamentos de Física Clássica

Prof. Karel Leal Observações:

Preste bastante atenção nas unidades de medida que são apresentadas nos exercícios e nas respostas solicitadas nos mesmos;
A lista deve ser entregue no dia 28 de FEVEREIRO de 2025 de forma individual;
Essa lista, como combinado no início do semestre, compreende parte importante da nota final da nossa componente. Faça as questões aos poucos pois o prazo é confortável. NÃO DEIXE TUDO PARA O FIM DO PRAZO!

Duas barras metálicas finas, uma de zinco e outra de ferro, cujos comprimentos, a uma temperatura de 300K, valem 5,0m e 12,0m, respectivamente, são sobrepostas e aparafusadas uma à outra em uma de suas extremidades, conforme ilustra a figura. As outras extremidades B e A das barras de zinco e ferro, respectivamente, permanecem livres. Os coeficientes de dilatação linear do zinco e do ferro valem 3,0.10-^5 K-^1 e 1,0.10- (^5) K- (^1) , respectivamente. Desprezando as espessuras das barras, determine: a) a variação da distância entre as extremidades A e B quando as barras são aquecidas até 400K; b) a distância até o ponto A de um ponto C da barra de zinco cuja distância ao ponto A não varia com a temperatura.
A tampa de zinco de um frasco de vidro agarrou no gargalo de rosca externa e não foi possível soltá-la. Sendo os coeficientes de dilatação linear do zinco e do vidro respectivamente iguais a 30.10-^6 e 8,5.10-^6 °C-^1 , como proceder? Justifique sua resposta. Temos à disposição um caldeirão com água quente e outro com água gelada.
Um tanque de aço é completamente cheio com 2,80m³ de álcool etílico quando tanto o tanque quanto o álcool etílico está à temperatura de 32°C. Quando o tanque e seu conteúdo tiverem esfriado até 8°C, que volume adicional de álcool etílico pode ser colocado dentro do tanque?
Você precisa descobrir o calor específico de uma amostra de metal. Você pesa a amostra e descobre que seu peso é 28,4N. Você acrescenta, cuidadosamente, 1,25.104J à amostra e descobre que sua temperatura sobe 18°C. Qual é o calor específico da amostra?
Em climas muito frios, um mecanismo importante na perda de calor pelo corpo humano é a energia gasta para aquecer o ar nos pulmões a cada respiração. a) em um dia de inverno muito frio, quando a temperatura é - 20°C, qual é a quantidade de calor necessária para aquecer 0,50L de ar trocado na respiração até atingir a tempeeratura do corpo humano (37°C)? b) Suponha que o calor específico do ar seja 1020J/kg.K e que a massa de 1L de

ar seja 1,3.10-^3 kg. Sendo assim, qual o calor perdido por hora considerando 20 respirações por minuto?

Um frasco de vidro com volume igual a 1000cm³ a 0°C está completamente cheio de mercúrio a essa mesma temperatura. Quando esse sistema é aquecido até 55°C, um volume de 8,95cm³ de mercúrio transborda. Sabendo que o coeficiente de dilatação volumétrica do mercúrio é igual a 18,0.10-^5 K-^1 , calcule o coeficiente de dilatação volumétrica do vidro.
Qual é o calor total necessário para converter 12,0g de gelo a - 10°C em vapor d’água a 100°C? Dê a resposta em Joules e em calorias.
A vaporização do suor é um mecanismo de controle da temperatura de animais de sangue quente. a) Qual é a quantidade de água que deve evaporar da pele de um homem de 70kg para que a temperatura do seu corpo diminua 1°C? O calor de vaporização da água na temperatura do corpo (37°C) é igual a 2,42.10^6 J/kg.K. O calor específico típico do corpo humano é 3480.10^6 J/kgK. b) Qual é o volume de água que o homem deve beber para repor a água vaporizada? Compare o resultado com o volume de uma lata de refrigerante (355cm³).
A figura mostra um diagrama de fase de uma substância hipotética. Observando o gráfico, responda às questões que se seguem. a) Associe as regiões I, II e III com as fases sólida, líquida e gasosa dessa substância. Justifique sua resposta; b) Estime a temperatura de ebulição da substância quando ela se encontra à pressão constante de 0,6atm. Explique o raciocínio utilizado; c) Responda se essa substância pode ser sublimada à pressão atmosférica normal. Justifique sua resposta com base nos dados apresentados no gráfico; d) Conceitue o ponto triplo e estime-o para essa substância.
Gelo-seco nada mais é que gás carbônico (CO 2 ) solidificado e sua aplicação vai de efeitos especiais em shows à conservação de alimentos. Tal substância é conhecida desde meados do século XIX e recebeu esse nome devido ao fato de não passar pela fusão, quando submetida à pressão atmosférica e à temperatura ambiente, como ocorre com o gelo comum. Considere um cubo de 0,1kg de gelo-seco, a - 78°C, e um bloco de gelo comum de 1,0kg, a - 10°C, colocados em um recipiente. Desprezando a capacidade

do tubo seja inicialmente igual à pressão atmosférica. Uma massa m= 0,5kg é emtão colocada sobre o suporte. Sob ação do peso da massa m, o êmbolo desce uma altura x, e o gás volta a atingir o equilíbrio termodinâmico com a mesma temperatura do estado inicial. Considere a aceleração da gravidade g=10m/s². Determine o valor de x.

Certa massa de gás perfeito, a 30°C de temperatura, está contida em um cilindro de 1000cm³. Se a pressão inicial de 10N/m², ao mesmo tempo que o volume é reduzido para 500cm³, qual será a temperatura em graus Celsius no final do processo?
Um cilindro metálico, fechado com tampa, contém 6,0mols de ar à pressão de 4,0atm e à temperatura ambiente. Abre-se a tampa do cilindro. Depois de seu conteúdo ter entrado em equilíbrio termodinâmico com o ambiente, qual é o número de mols que permanecerão no cilindro? (Considere o ar como um gás ideal e a pressão atmosférica como 1atm).
Um gás passa por dois processos. No primeiro, o volume permanece constante a 0,2m³ e a pressão cresce de 2.10^5 Pa até 5.10^5 Pa. O segundo processo é uma compressão até o volume de 0,12m³ sob pressão constante de 5.10^5 Pa. a) Desenhe um diagrama PV mostrando esses dois processos. b) Calcule o trabalho total realizado pelo gás nos dois processos.
Um gás no interior de um cilindro se expande de um volume igual a 0,110m³ até um volume igual a 0,320m³. O valor flui para dentro do sistema com uma taxa suficiente para manter a pressão constante igual a 1,80.105Pa durante a expansão. O calor total fornecido ao sistema é igual a 1,15.105J. a) Calcule o trabalho realizado pelo gás. b) Calcule a variação da energia interna do gás. c) O resultado depende ou não do gás ser ideal? Justifique sua resposta.
Um sistema evolui do estado a até o estado b ao longo dos três caminhos mostrados na figura: a) Ao longo de qual caminho o trabalho realizado é maior? Em qual caminho é o menor? b) Sabendo que Ub>Ua, ao longo de qual caminho o valor absoluto do calor |Q| trocado com as vizinhanças é maior? Nesse caminho, o calor é libertado ou absorvido pelo sistema?

Três mols de um gás monoatômico ideal se expandem a uma pressão constante de 2,5atm; o volume do gás varia de 3,2.10-^2 m³ a 4,5.10-^2 m³. a) Calcule as temperaturas inicial e final do gás; b) Calcule a quantidade de trabalho que o gás realiza ao se expandir; c) Calcule a quantidade de calor fornecida ao gás; d) Calcule a variação da energia interna do gás.
Em um processo adiabático de um gás ideal, a pressão diminui. Nesse processo, a energia interna do gás aumenta ou diminui? Explique seu raciocínio.
Um sistema termodinâmico vai do estado a até o estado c, mostrado na figura, pelo caminho abc ou pelo caminho adc. Pelo caminho abc, o trabalho W realizado pelo sistema é 450J. Pelo caminho adc, W é igual a 120J. As energias internas de cada um dos quatro estadaos mostrados na figura são Ua = 150J, Ub = 240J, Uc= 680J e Ud= 330J. Determine o calor trocado em cada um dos quatro processos ab, bc, ad e dc e verifique, em todos, se o sistema absorve ou liberta calor.
Uma certa quantidade de gás ideal realiza o ciclo esquematizado no gráfico. a) Calcule o trabalho realizado em cada uma das fases do ciclo (AB, BC, CD, DA), indicando se foi realizado pelo gás ou sobre o gás; b) Em quais transformações há aumento da energia interna e em quais delas há diminuição? Justifique; c) Ao completar cada ciclo, há conversão de calor em trabalho ou de trabalho em calor? Por quê? d) Calcule a quantidade de calor e de trabalho que se interconvertem em cada ciclo.

A segunda lei da termodinâmica tem diferentes enunciados. Apresente esses enunciados e explique os seus significados na prática.
Uma máquina de Carnot tem uma eficiência de 59% e realiza 2,5.104J de trabalho em cada ciclo. a) Quanto calor a máquina estrai de sua fonte de calor em cada ciclo? b) Suponha que a máquina rejeite calor para a sala à temperatura de 20°C. Qual é a temperatura de sua fonte de calor?
Você decide tomar um banho quente, mas descobre que o seu descuidado companheiro de quarto usou quase toda a água quente. Você enche a banheira com 270kg de água e tenta aquecê-a mais despejando 5kg de água fervente aquecida no fogão. a) esse processo é reversível ou irreversível? Use raciocíni físico para explicar. b) Calcule a temperatura final da água do banho. c) Calcule a variação total da entropia do sistema (água da banheira + água fervente), supondo que não há troca de calor com o ar e com a própria banheira.
Qual é a variação de entropia de 0,13kg do gás hélio no seu ponto de ebulição normal quando todo ele condensa isotermicamente em 1L de hélio líquido?
Em um processo reversível, 3 mols de um gás ideal são comprimidos isotermicamente a 20°C. Durante a compressão, um trabalho de 1850J é realizado sobre o gás. Qual é a variação de entropia do gás?
Você projeta uma máquina de Carnot que funciona entre as temperaturas de 500K e 400K e realiza 2000J de trabalho em cada ciclo. a) Calcule a eficiência de sua máquina. b) Calcule a quantidade de calor descartada durante a compressão isotérmica a 400K. c) Desenhe as isotermas de 500K e 400K em um diagrama PV (Sem fazer os cálculos); depois esboce o ciclo de Carnot seguido por sua máquina. d) No mesmo diagrama, desenhe a isoterma de 300K; depois desenhe, com uma cor diferente, o ciclo de Carnot começando novamente no mesmo ponto da isoterma de 500K, mas funcionando em um ciclo entre as isotermas de 500K e 300K. e) Compare as áreas dentro das curvas (o trabalho total realizado) nos dois ciclos. Note que a mesma quantidade de calor é extraída do reservatório quente em ambos os casos. Você consegue explicar por que menos calor é “perdido” durante a compressão isotérmica a 300K em relação à compressão de 400K?

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