Exames e testes intermédios

1Difícil (TI – 03/06/2009) Para arrefecer a água contida num copo, será mais eficaz adicionar-lhe água líquida a 0 °C ou gelo à mesma temperatura? Para responder a esta pergunta através de uma atividade experimental, um grupo de alunos procedeu do modo seguinte: • Numa tina de vidro, introduziram alguns cubos de gelo e uma pequena quantidade de água, e aguardaram até que se atingisse o equilíbrio térmico, a 0 °C. • Aqueceram água, que repartiram por dois gobelés, A e B, tendo colocado 200 g de água em cada um e medido a temperatura inicial em cada um deles, que era 42,3 °C. • Adicionaram, ao gobelé A, 51 g de água a 0 °C, e foram medindo a temperatura da mistura, até ter sido atingido o equilíbrio térmico, que ocorreu a 34,7 °C. • Adicionaram, ao gobelé B, 51 g de gelo a 0 °C, e foram medindo a temperatura da mistura, até que todo o gelo fundisse e fosse atingido o equilíbrio térmico, que ocorreu a 22,4 °C.

12.1. Determine, com base nos resultados experimentais obtidos, o calor de fusão do gelo, L_fusão, admitindo que não ocorreram trocas de energia com o exterior. Apresente todas as etapas de resolução. c (capacidade térmica mássica da água) = 4,18×10³ J kg^-1 °C^-1.

12.2. Cálculos teóricos permitem prever que o equilíbrio térmico, no gobelé B, seria atingido a 17,5 °C, em vez de a 22,4 °C, conforme obtido experimentalmente. Indique uma razão que possa explicar esta diferença.

12.3. De acordo com os resultados experimentais obtidos, conclui-se que, para arrefecer a água contida num copo, é mais eficaz usar cubos de gelo do que água à mesma temperatura do gelo, uma vez que a temperatura à qual se atingiu o equilíbrio térmico é inferior no primeiro caso. Justifique aquela conclusão, tendo em consideração o fenómeno que ocorre quando se utiliza gelo para arrefecer a água.

12.4. Como se designa o mecanismo de transferência de energia sob a forma de calor que ocorre, predominantemente, no arrefecimento da água contida no gobelé A?

12.5. Quando colocamos a mão em água e em gelo, ambos à temperatura de 0 °C, aparentemente o gelo está mais frio do que a água. Selecione a única alternativa que contém a interpretação correta deste facto.

2Difícil (2014 – 2ªF) Com o objetivo de estabelecer o balanço energético de um sistema gelo + água líquida, um grupo de alunos realizou uma experiência, na qual adicionou 30,0 g de gelo fragmentado, à temperatura de 0,0 °C, a 260,0 g de água líquida, a 20,0 °C. Os alunos consultaram tabelas de constantes físicas e registaram os seguintes valores: c_{água líquida} (capacidade térmica mássica da água líquida) = 4,18×10³ J kg^-1 °C^-1; ΔH_{fusão gelo} (variação de entalpia (ou calor) de fusão do gelo) = 3,34×10⁵ J kg^-1.

6.1. Identifique a fonte e o recetor, quando se inicia o processo de transferência de energia que ocorre no interior do sistema considerado.

6.2. Qual das expressões seguintes permite calcular a energia, em joules (J), necessária para fundir completamente o gelo?

6.3. Com base nos resultados obtidos experimentalmente, os alunos estabeleceram o balanço energético do sistema.

6.3.1. Em que lei se baseia o estabelecimento do balanço energético do sistema?

6.3.2. Os alunos calcularam a energia recebida pelo gelo, desde que este foi adicionado à água líquida até toda a mistura ter ficado à mesma temperatura de 11,0 °C, tendo obtido 1,140×10⁴ J. Calcularam também a energia cedida pela água líquida, inicialmente a 20,0 °C, no mesmo intervalo de tempo. Com base nos resultados obtidos, concluíram que, naquele intervalo de tempo, tinha ocorrido transferência de energia entre o sistema considerado e o exterior. Conclua, justificando, em que sentido terá ocorrido aquela transferência de energia. Apresente todas as etapas de resolução.

3Médio (2015 – 1ªF) Numa experiência, forneceu-se uma energia de 92,0 kJ a 400 g de gelo, inicialmente a −10,0 °C. Admita que toda a energia fornecida contribuiu para o aumento da energia interna do gelo e que não houve outras trocas de energia entre o gelo e o exterior. A energia necessária à fusão de 1,0 kg de gelo é 3,34×10⁵ J e o ponto de fusão da água, nas condições da experiência, é 0,0 °C. Calcule a massa de gelo que não se fundiu. Apresente todas as etapas de resolução. c_gelo (capacidade térmica mássica do gelo) = 2,11×10³ J kg^-1 °C^-1.

4Fácil 10 pontos (2017 – 2ªF) Considere amostras puras de gelo fragmentado, à pressão de 1 atm e à temperatura de fusão (0,0 °C).

10.1. Admita que uma dessas amostras de gelo se encontrava inicialmente a −10 °C. Qual foi a variação de temperatura, expressa em kelvin, dessa amostra, até ficar à temperatura de fusão?

10.2. Enquanto uma pequena amostra de gelo se funde, a sua energia interna…

5Médio 15 pontos (2017 – 2ªF) Num recipiente, introduz-se uma amostra de 150 g de gelo, à temperatura de 0,0 °C, e uma amostra de água, à temperatura de 20,0 °C.

11.1. Determine a massa mínima de água, a 20,0 °C, que será necessário adicionar à amostra de gelo para que esta apenas se funda, ficando a mistura em equilíbrio térmico à temperatura de 0,0 °C. Admita que não há trocas de energia entre a mistura obtida e a sua vizinhança. A energia necessária à fusão de 1,0 kg de gelo é 3,34×10⁵ J. Apresente todas as etapas de resolução.

11.2. Para que a amostra de água adicionada ao gelo ficasse à temperatura de 20,0 °C, forneceu-se-lhe energia com uma fonte de 250 W, durante 1,5 minutos. Neste processo, a energia interna da água aumentou 1,4×10⁴ J. Qual foi o rendimento do processo de aquecimento da água?

6Médio 25 pontos (2018 – PM) Numa atividade laboratorial, os alunos tinham como objetivo determinar se é mais eficaz arrefecer água com água a 0 °C ou com gelo a 0 °C. Para tal, os alunos realizaram dois ensaios: Ensaio A – Acrescentaram 5 mL de água (5 g) a 0 °C a um copo com 50 mL (50 g) de água a 15 °C. Ensaio B – Acrescentaram 5 g de gelo a 0 °C a um copo com 50 mL (50 g) de água a 15 °C. O ponto de fusão da água é 0 °C.

13.1. Preveja em qual dos ensaios (A ou B) a temperatura final da água será menor. Na sua resposta, apresente apenas o nome do ensaio solicitado.

13.2. No ensaio A, a porção de água mais quente liberta energia sob a forma de calor, sendo alguma fornecida à porção de água mais fria e o resto libertado para a vizinhança do ensaio. A energia é libertada pela porção de água mais quente com uma potência de 75 W. Durante um intervalo de tempo de 12 s, foram fornecidas, à porção de água fria, 675 J de energia sob a forma de calor. Neste intervalo de tempo, qual foi a percentagem de energia libertada para a vizinhança do ensaio?

13.3. Para medir a massa do cubo de gelo, foi utilizada uma balança digital que mede em gramas e cuja menor divisão da escala é o miligrama. Qual é a incerteza associada à medição na balança?

13.4. Considere que se realiza um ensaio C onde se acrescenta um cubo de gelo de 5 g, a 0 °C, a um copo com 40 g de água, a 15 °C. A energia necessária à fusão de 1 kg de gelo é 3,34×10⁵ J. Admita que durante o processo de arrefecimento da água do copo não houve trocas de energia com o exterior. Determine a temperatura final da água do copo neste ensaio. Apresente todas as etapas de resolução. c_água = 4,18×10³ J kg^-1 °C^-1.

7Médio 14 pontos (2019 – 1ªF) Para determinar experimentalmente a variação de entalpia (mássica) de fusão do gelo, adicionou-se gelo fundente a água previamente aquecida.

6.1. Para minimizar o erro nesta determinação, o gelo adicionado deve estar dividido em…

6.2. Na experiência realizada, mediu-se a massa do gelo fundente, a massa e a temperatura inicial da água, e a temperatura à qual o sistema resultante daquela adição atingiu o equilíbrio térmico. O que é necessário ainda conhecer para calcular a variação de entalpia (mássica) de fusão do gelo, considerando que o sistema é isolado?