ENEM 2024. Dicas de Física do segundo Ano do ensino médio com o professor Rafael

Considerando  um corpo parcialmente dentro de um fluido. A pressão a uma altura h de profundidade  será

P=P₀+𝛒gh, 

sendo P₀ a pressão atmosférica, g a aceleração da gravidade e 𝛒  a densidade. Esta diferença de pressão P-P₀ é exatamente a pressão manométrica.

Partindo da lei de Stevin podemos chegar a equação do princípio de Arquimedes.

Multiplicando a lei de Steven pela área A e  usando as equações da força F=PA e o volume V=Ah, obtemos:

E=F-F₀=𝛒gV,

com E sendo o empuxo, V o volume do líquido deslocado, a força exercida na parte superior do corpo é F₀. A força que atua na parte inferior do corpo é F, cuja diferença é exatamente o empuxo.

Arquimedes viveu em uma colônia Grega, em Siracusa, em Sicília, na Itália. Ele inventou a alavanca. Quando foi desafiado pelo rei de Cicília, para saber se a sua corroa era de ouro ou falsa. Arquimedes ao tomar banho em uma banheira de um banheiro público, encontrou a solução de medir a densidade da coroa do Rei e saiu gritando nas ruas sem roupa Eureka(encontrei).  

Princípio de Arquimedes

O empuxo, a força exercida em todo corpo total ou parcialmente submerso em um líquido, é igual ao peso do líquido deslocado(P_dd=mg).

E=P_d=m_dg=𝞺_dV_d g

Com 𝞺_d a densidade do líquido deslocado, V_d o volume do líquido deslocado e a aceleração da gravidade local, no SI,  g=9,8m/s². Agora iremos propor uma experiência para medir a densidade de um sólido usando o princípio de Aquimedes.  

 Vídeo

A densidade do mercúrio(Hg) é 13,6 vezes maior do que a densidade da água. Por isso se usa Hg para medir a pressão local, quem mediu pela primeira vez foi Torricelli, o discípulo de Galileu: 1atm=76cmHg=760mmHg, com atm sendo a abreviatura de pressão da atmosfera Terrestre. Note que até Galileu ainda não era conhecido uma técnica de medir a pressão.

Empuxo e o Dinamômetro. Veja o roteiro dessa experiência, clicando em

https://rafaelrag.blogspot.com/2023/10/aula-22-instrumentacao-i-projeto-xi.html

Temperatura

Você já viu que a temperatura é medida com um termômetro.  Do ponto de vista da física moderna, podemos definir a temperatura como sendo a grandeza física que mede o grau de agitação interna dos constituintes internos da matéria. No caso de um fluido(líquido ou gás) são as moléculas. Nos sólidos, a temperatura mede o aumento da energia cinética das vibrações dos átomos na rede cristalina.

 

Os pontos e fusão e vaporização  das escalas termométricas medidas em graus  Celsius(T_C), Farenheit(T_F) e kelvim(T_K).

Pontos de Fusão: T_C=0, T_K= 273 e T_F=32.

Pontos de ebolição ou vaporização: T_C=100^oC, T_K= 373 e TF=212

Veja a comparação das 3 escalas termométricas.

Comparando as 3 escalas termométricas, obtemos:

T_F=(9/5)T_C+32

T_K=T_C+273

Exemplo: determine a temperatura no quilombo Caiana dos Crioulos, em graus Kelvin e Farenheit, sabendo que o termômetro está indicando 30 graus Celsius ou centrigados.

Solução

Dado: T_C=30 ^oC.

Então, 

T_F=(9/5)T_C+32=(9x30/5+32)F=(9x6+32)F=(54+32)F=  86F

T_K=T_C+273=(30+273)K=303K

Respostas:  T_K=303K  e  T_F =865F.

Calorimetria.

Calor é energia em trânsito, partindo de um corpo com temperatura maior para outro corpo com temperatura menor. Quanto atingir o equilíbrio térmico o calor cessa. A unidade de calor mais usada é a caloria(cal), que está relacionada com joule(J) por 1cal=4,18J.

A capacidade térmica, C, não significa que o corpo absorve uma quantidade de calor. C é a variação de energia térmica de um corpo para aumentar a temperatura em um grau do corpo.

C=∆Q/∆T

∆Q⇾Variação de calor sensível ocorre a volume constante ou a pressão constante, sob uma variação da temperatura ∆T.

∆T⇾variação de temperatura, isto é, ∆T= temperatura final subtraída  da temperatura inicial.

Leia mais

Comparando ambos conceitos. É errado dizer que você está com muito calor se a temperatura está alta.

O calor específico, c,  é capacidade térmica por unidade de massa m, ou seja, c=C/m. 

Unidade: cal/g^oC

Portanto, o calor sensível torna-se:

Portanto, o  calor sensível está relacionado com a variação de temperatura através da equação fundamental da calorimetria:

ΔQ=mcΔT,

Com m sendo a massa da substância, c é o calor específico e ΔT é a variação de temperatura.

O calor Latente L é aquele necessário para uma certa substância sofrer uma mudança de fase, por exemplo, quando a água atinge os 100 graus celsius ela passa do estado líquido para o estado de vapor, sem mudar a sua temperatura.

ΔQ=mL.

Unidade: cal/^oC(grau celsius) 

 A equação de estado dos gases ideais, 

A lei dos gases ideais define a equação de estado, que é governada pela seguinte equação:

PV=NKT

Com P-pressão, N-número de partículas, K a constante de Boltzmann. e T a temperatura.

O número de moles n é definido por

n=N/N_A

 Com N_A=número de Avogrado

 

N_A=6,022x10²³    

A constante de Bolztmann em termos da constante universal dos gases R 

R=N_AK    ⇔ K=R/N_A 

Portanto,

PV=NKT=nN_AKT=nRT       ⇔                PV=nRT.

 Esta é uma equação em termos das condições do gás ideal, pressão, temperatura e volume. No modelo de gás ideal, as moléculas não interagem entre si e não interagem com as paredes do recipiente.   Elas sofrem choquem elásticos, ou seja, as suas energias cinéticas se conservam.

Veja uma expressão para a energia cinética média das N moléculas de um gás, em termos de sua temperatura, 

E_C=3NKT/2,

o que está de acordo com a definição da temperatura, que a energia cinética depende somente da temperatura e vice-versa.

CNTP

Vimos que as condições Normais de temperatura (T_K=273K) e pressão(P=1atm) (CNTP) o volume é de V=22,41 litros. 

Resumo das escalas Termométricas

Calor Latente e calor sensível

Vamos considerar um exemplo em que o sistema termodinâmico recebe  o calor  latente de fusão(mudança de estado sólido para liquido) e o  calor  latente de vaporização(mudança de estado liquido para vapor). Os valores de calor latente de fusão e do calor latente de  vaporização são diferentes para uma mesma substância.

A calor latente de vaporizaçã(Entalpia) da água é a quantidade de calor necessária, a temperturaa onstante,  para alterar um grama de uma substânia do estado líquido para o estdo de vapor.

O calor latente de condensação da água é a quantidade de calor necessária, paraa ela passar do estado e vapor para o estsado líquido.

Calor latente de vaporização da água

L_V=540cal/g.

Calor latente de condensação da água

L_C=-540 cal/g.

Calor latente de fusão do gelo 

L_F=80cal/g.

 A relação entre da unidade calor no sistema de unidade internacional de medida, 1cal =4,18 J.

Exemplo. Quanto calor é necessário para transformar 1,5kg de gelo, a temperatura de -20^oC (graus celsius) e pressão de 1atm para vapor? Com o calor latente de vaporização  L_V=2257KJ/kg=2257x1000 J/kg

Solução.

Devemos ceder uma quantidade de energia térmica, calor sensível, Q1=mc∆T, para elevar a temperatura a zero graus celsius, em seguida ocorre uma mudança de fase do estado sólido em líquido,  a energia térmica é cedida, em forma de calor latente de fusão, Q2=mLF. 

Continuando a ceder energia térmica, em forma de calor sensível, Q3=mc∆T,  até a temperatura chegar a 100 ^oC(temperatura constante na vaporização). Por último, ocorre a mudança de fase do estado líquido para o estado de vapor, Q4=mLV

Dados:

Massa m=1,5kg

Calor específico do gelo,  cgelo=2,05kJ/kg.K

Q1=mc∆T=1,5kgx2,05kJ/kgx20K=61,5kJ=0,0615MJ

LF =333,5KJ/kg

Q2=mLF=1,5kgx333,5kJ/kg=500KJ=0,500MJ

∆T=(100-0)K=100K

Calor específico da água, c_água=1cal/g^oC=4,18kJ/kg.K, lembre-se 1g=kg/1000.

Q3=mc∆T=1,5kgx4,18(kJ/kgK)x100K=627kJ=0,627MJ

 LV=2257kJ/kg=2,257MJ/kg=2,26MJ/kg.

Então, 

Q4=mLV=1,5kgx2,26MJ/kg=3,39MJ

A resposta desta questão será a soma das 4 parcelas de energia térmica, ou seja:

 Q=Q1+Q2+ Q3+ Q4= 4,6 MJ. 

Note que, usamos a relação 1M=1000k.

Questões do ENEM

ENEM 2010. Questão 46 - caderno amarelo da prova de Ciências da Natureza e suas Tecnologias de 2010.

Em nosso cotidiano, utilizamos as palavras “calor” e “temperatura” de forma diferente de como elas são usadas no meio científico. Na linguagem corrente, calor é identificado como “algo quente” e temperatura mede a “quantidade de calor de um corpo”. Esses significados, no entanto, não conseguem explicar diversas situações que podem ser verificadas na prática.

Do ponto de vista científico, que situação prática mostra a limitação dos conceitos corriqueiros de calor e temperatura?

a) A temperatura da água pode ficar constante durante o tempo que estiver fervendo.

b) Uma mãe coloca a mão na água da banheira do bebê para verificar a temperatura da água.

c) A chama de um fogão pode ser usada para aumentar a temperatura da água em uma panela.

d) A água quente que está em uma caneca é passada para outra caneca a fim de diminuir sua temperatura;

ENEM 2013. Em um experimento foram utilizadas duas garrafas PET, uma pintada de branco e a outra de preto, acopladas cada uma a um termômetro. No ponto médio da distância entre as garrafas, foi mantida acesa, durante alguns minutos, uma lâmpada incandescente. Em seguida a lâmpada foi desligada. Durante o experimento, foram monitoradas as temperaturas das garrafas:

a) enquanto a lâmpada permaneceu acesa e
b) após a lâmpada ser desligada e atingirem equilíbrio térmico com o ambiente. Termômetro

A taxa de variação da temperatura da garrafa preta, em comparação à da branca, durante todo experimento, foi

a) igual no aquecimento e igual no resfriamento.
b) maior no aquecimento e igual no resfriamento.
c) menor no aquecimento e igual no resfriamento.
d) maior no aquecimento e menor no resfriamento.
e) maior no aquecimento e maior no resfriamento.

Repostas das questões do ENEM final desta postagem.

https://rafaelrag.blogspot.com/2021/11/energia-e-introducao-fisica-termica-no.html#more

Dicas de eletricidade e magnetismo para o ENEM 2024 com o professor Rafael

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Professor Rafael demonstrando a eletricidade com canudos de beber água e coco. No próximo domingo, 10, acontecerá o segundo dia das provas do ENEM...Segue o link com as dicas de Física dos 3o. ano. 

https://rafaelrag.blogspot.com/2024/11/dicas-de-eletricidade-para-o-enem-2024.html?m=1

Resoluções de questões de Física do ENEM, no blog ciências e educação. 

https://rafaelrag.blogspot.com/2014/11/fisica-o-enem-2012-questoes-e-solucoes.html?m=1

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