Exames e testes intermédios

📝 7 exercícios

Itens reais dos exames nacionais e testes intermédios de Física e Química A sobre este tema, com o ano e a fase, o grau de dificuldade, a cotação do IAVE e a Resolução completa com os critérios de classificação. Clica numa opção para ver logo se acertaste.

📘 Resumo da matéria

Antes de começares, revê Atividade laboratorial AL 3.3 – laboratório virtual.

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, Lfusão, 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.

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📋 Dados: Gobelé B: 200 g de água a 42,3 °C + 51 g de gelo a 0 °C → equilíbrio a 22,4 °C; c = 4,18×10³ J kg-1 °C-1.
  1. 📐 FórmulasQcedida = Qfusão + Qaquec. da água do gelo ⇒ mB c (θBi − θBf) = m Lf + m c (θBf − 0)
  2. 12.1 – duas etapasEnergia cedida pela água de B: |Q1| = 0,200 × 4,18×10³ × (42,3 − 22,4) = 1,66×10⁴ J. Energia absorvida pela água resultante do gelo: |Q2| = 0,051 × 4,18×10³ × 22,4 = 4,78×10³ J.
  3. 12.1 – resultado1,66×10⁴ = 0,051 Lf + 4,78×10³ ⇒ Lf = 1,66×10⁴ − 4,78×10³0,051 = 2,3×10⁵ J kg-1 (2,32×10⁵). (24 pontos: três etapas)
  4. 12.2A temperatura de equilíbrio foi superior à prevista: o sistema não estava isolado e recebeu energia do ambiente exterior. (8 pontos)
  5. 12.3O fenómeno é a fusão do gelo, que é um processo endoenergético (absorve energia, retirando-a à água, o que a arrefece mais). (16 pontos)
  6. 12.4Convecção (nos fluidos é o mecanismo predominante). (8 pontos)
  7. 12.5Gelo e água estão a 0 °C, mas o gelo (sólido) tem maior condutividade térmica e retira energia à pele mais depressa: a energia transferida da pele para a água é menor do que a da pele para o gelo.
  8. (A)Falsa. É o contrário: a energia transferida da pele para o gelo é maior, não menor.
  9. (B)Falsa. A água a 0 °C está mais fria do que a pele; a energia vai da pele para a água, não da água para a pele.
  10. (C)Falsa. O sentido está errado: a energia passa da pele (mais quente) para o gelo, não do gelo para a pele.
  11. (D)Verdadeira. O gelo tem maior condutividade térmica do que a água: retira energia à pele mais depressa, por isso parece mais frio.

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. 260,0 g de água a 20,0 °C30,0 g de geloa 0,0 °CFig. 6 – gelo adicionado à água líquida Os alunos consultaram tabelas de constantes físicas e registaram os seguintes valores: cágua líquida (capacidade térmica mássica da água líquida) = 4,18×10³ J kg-1 °C-1; ΔHfusão 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.

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📋 Dados: mgelo = 0,0300 kg (0,0 °C); mágua = 0,2600 kg (20,0 °C); equilíbrio a 11,0 °C; Erecebida = 1,140×10⁴ J.
  1. 📐 FórmulasEfusão = m ΔHfusão · E = m c Δθ · ΔUsistema = Erecebida + Ecedida
  2. 6.1A fonte é a água líquida a 20,0 °C (temperatura mais elevada) e o recetor é o gelo a 0,0 °C (temperatura mais baixa): a energia flui como calor do corpo mais quente para o mais frio. (5 pontos)
  3. 6.2E = m ΔHfusão com a massa em kg: E = (0,0300 × 3,34×10⁵) J. (5 pontos)
  4. (A)Falsa. 30,0 g deviam estar em kg: ΔH é por quilograma.
  5. (B)Falsa. Divide a energia por 0,0300 em vez de multiplicar.
  6. (C)Verdadeira. E = m ΔH com a massa em kg: 0,0300 × 3,34×10⁵.
  7. (D)Falsa. Divide por 30,0 em vez de multiplicar.
  8. 6.3.1Na Lei da Conservação da Energia (1.ª Lei da Termodinâmica). (5 pontos)
  9. 6.3.2 – 1.º passoEnergia cedida pela água: Ec = 0,2600 × 4,18×10³ × (11,0 − 20,0) = −9,78×10³ J.
  10. 6.3.2 – 2.º passoVariação de energia interna do sistema: ΔU = 1,140×10⁴ + (−9,78×10³) = +1,6×10³ J > 0. A energia interna do sistema (gelo + água) aumentou: o sistema recebeu energia do exterior; a transferência ocorreu do exterior (ambiente) para o sistema.
  11. NotaNota: na resolução oficial a soma aparece como «+0,181×10⁴ J»; o cálculo correto é 11 400 − 9 781 ≈ 1,6×10³ J (a conclusão não muda). Também havia um lapso («4,18×10⁴») na constante c.

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. cgelo (capacidade térmica mássica do gelo) = 2,11×10³ J kg-1 °C-1.

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📋 Dados: m = 0,400 kg; Eforn = 92,0 kJ; θi = −10,0 °C; cgelo = 2,11×10³ J kg-1 °C-1; ΔHf = 3,34×10⁵ J kg-1.
  1. 📐 FórmulasEaq = m c Δθ · Efusão = mfundiu ΔHf · mnão fundiu = m − mfundiu
  2. 1.º passoEnergia para aquecer o gelo até 0 °C: E = 0,400 × 2,11×10³ × [0 − (−10,0)] = 8,44×10³ J. (5 pontos)
  3. 2.º passoEnergia disponível para a fusão: E = 92,0×10³ − 8,44×10³ = 8,36×10⁴ J. (4 pontos)
  4. 3.º passoMassa que fundiu: m = 8,356×10⁴3,34×10⁵ = 0,250 kg = 250 g.
  5. 4.º passoMassa que não fundiu: 400 − 250 = 150 g (0,150 kg).

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…

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  1. 10.1ΔT = 0 − (−10) = 10 °C = 273 K − 263 K = 10 K (uma variação em °C é igual em K). (5 pontos)
  2. (A)Falsa. 283 K é 10 °C em kelvin (uma temperatura, não uma variação).
  3. (B)Falsa. 263 K é a temperatura inicial em kelvin, não a variação.
  4. (C)Falsa. A temperatura aumenta: a variação é positiva, não −10 K.
  5. (D)Verdadeira. ΔT (K) = Δθ (°C) = 0 − (−10) = 10 K.
  6. 10.2Durante a fusão a temperatura mantém-se, mas a amostra recebe energia: a energia interna aumenta (aumenta a energia potencial de interação entre as moléculas, que se afastam). (5 pontos)
  7. (A)Falsa. Durante a fusão a energia interna aumenta (a amostra recebe energia).
  8. (B)Falsa. A temperatura não aumenta durante a fusão.
  9. (C)Falsa. A energia interna aumenta e a temperatura não: a opção contradiz-se.
  10. (D)Verdadeira. Aumenta a energia potencial de interação entre moléculas, mas a temperatura mantém-se.

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. água a 20,0 °C (massa a determinar)150 g de geloa 0,0 °CFig. 11 – gelo + água num recipiente isolado

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?

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📋 Dados: mgelo = 0,150 kg; ΔHf = 3,34×10⁵ J kg-1; cágua = 4,18×10³ J kg-1 °C-1 (valor tabelado).
  1. 📐 FórmulasEfusão = mgelo ΔHf · −m c Δθ = Efusão · η = EútilP Δt × 100
  2. 11.1 – 1.º passoEnergia para fundir o gelo: E = 0,150 × 3,34×10⁵ = 5,0×10⁴ J (5,01×10⁴ J). (5 pontos)
  3. 11.1 – 2.º passoSistema isolado: energia cedida pela água = energia absorvida pelo gelo. −m × 4,18×10³ × (0 − 20,0) = 5,01×10⁴ ⇒ m = 5,01×10⁴4,18×10³ × 20,0 = 0,60 kg. (5 pontos)
  4. 11.2Energia fornecida: E = 250 × (1,5 × 60) = 2,25×10⁴ J. η = 1,4×10⁴2,25×10⁴ × 100 = 62 %. (5 pontos)
  5. (A)Falsa. 37 % resulta de usar 1,5 min como 150 s (esquecer converter os minutos em segundos).
  6. (B)Verdadeira. Η = 1,4×10⁴250 × 1,5 × 60 = 1,4×10⁴2,25×10⁴ = 62 %.
  7. (C)Falsa. 2,7 % é um valor demasiado baixo: erro de potência de dez no cálculo da energia fornecida.
  8. (D)Falsa. 70 % não corresponde ao quociente entre a energia útil e a fornecida.
  9. NotaNota: a resolução original escrevia 3,34×10⁴ J kg-1 (lapso); o valor do enunciado é 3,34×10⁵ J kg-1.

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. Ensaio A+ 5 g de água a 0 °CEnsaio B+ 5 g de gelo a 0 °C50 g de água a 15 °C50 g de água a 15 °CEnsaios A e B

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. cágua = 4,18×10³ J kg-1 °C-1.

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📋 Dados: Ensaio C: mgelo = 5 g (0 °C); mágua = 40 g (15 °C); ΔHf = 3,34×10⁵ J kg-1.
  1. 📐 FórmulasEfusão = m ΔHf · m1 c Δθ1 + m2 c Δθ2 = 0
  2. 13.1No ensaio B: o gelo, além de aquecer como água, absorve a energia de fusão (m ΔHf), retirando mais energia à água do copo. (5 pontos)
  3. 13.2Energia libertada: 75 × 12 = 900 J; recebida pela água fria: 675 J; para a vizinhança: 900 − 675 = 225 J, isto é, 225900 × 100 = 25,0 %. (5 pontos)
  4. (A)Falsa. 33,3 % é a razão entre a energia perdida e a recebida (225/675), não a fração da energia libertada.
  5. (B)Verdadeira. Libertados 900 J, 675 J chegaram à água fria: perdidos 225 J, isto é 25,0 %.
  6. (C)Falsa. 11,1 % não resulta dos valores dados.
  7. (D)Falsa. 75,0 % é a fração aproveitada (675/900), não a que vai para a vizinhança.
  8. 13.3A incerteza de uma balança digital é a menor divisão da escala: 1 mg = ± 0,001 g. (5 pontos)
  9. (A)Verdadeira. Numa balança digital a incerteza é a menor divisão: ± 0,001 g (1 mg).
  10. (B)Falsa. ± 0,005 g não é a divisão nem metade dela.
  11. (C)Falsa. ± 0,01 g é dez vezes maior do que a divisão.
  12. (D)Falsa. ± 0,0005 g seria metade da divisão (regra dos instrumentos analógicos).
  13. 13.4 – 1.º passoEnergia para fundir o gelo: E = 0,005 × 3,34×10⁵ = 1,67×10³ J. (3 pontos)
  14. 13.4 – 2.º passoTemperatura da água do copo após a fusão (a energia vem dos 40 g): 1,67×10³ = 0,040 × 4,18×10³ × (15 − θ) ⇒ θ = 15 − 9,99 ≈ 5 °C. (3 pontos)
  15. 13.4 – 3.º passoEquilíbrio entre os 5 g de água resultante do gelo (0 °C) e os 40 g a 5 °C: 0,005 × (θf − 0) + 0,040 × (θf − 5) = 0 ⇒ θf = 0,040 × 50,045 = 4,4 °C (4,44 °C). (4 pontos)

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?

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  1. 📐 Fórmulasmágua c (Tf − Ti) + mgelo Δhfusão + mgelo c (Tf − 0) = 0
  2. 6.1O gelo do congelador está abaixo de 0 °C (gastaria energia a aquecer até 0 °C), por isso deve ter estado em água a 0 °C (gelo fundente); e em pequenos fragmentos, para que a temperatura seja uniforme. (7 pontos)
  3. (A)Falsa. Gelo do congelador está abaixo de 0 °C e gastaria energia a aquecer até 0 °C, falseando o resultado.
  4. (B)Verdadeira. Pequenos fragmentos (temperatura uniforme) e em equilíbrio a 0 °C (gelo fundente).
  5. (C)Falsa. Do congelador (abaixo de 0 °C) e grandes fragmentos: duplo erro.
  6. (D)Falsa. A 0 °C está certo, mas fragmentos grandes têm temperatura não uniforme e fundem mal.
  7. 6.2Com o sistema isolado, Δhfusão obtém-se da expressão acima: como se mediram mágua, mgelo, Ti e Tf, falta apenas a capacidade térmica mássica da água líquida. (7 pontos)
  8. (A)Verdadeira. Basta a c da água: a incógnita é Δhfusão, e o gelo fundente já está a 0 °C (não se aquece).
  9. (B)Falsa. A c do gelo não é necessária: o gelo está a 0 °C.
  10. (C)Falsa. A energia de fusão de 1 kg é precisamente o que se quer determinar.
  11. (D)Falsa. Falta a c da água líquida, necessária para o balanço energético.

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