Voltar a: 10ºAno – Física
Ficha nº7
Exercícios de exames e testes intermédios (2021 – 202*)
10ºano – Física – Subdomínio 3 (Energia, fenómenos térmicos e radiação)
1. (2021 – 2ªF) A Estação Espacial Internacional (EEI; em inglês, International Space Station – ISS) move-se em torno da Terra, numa órbita aproximadamente circular.
Admita que a região em que a EEI se move pode ser considerada como vácuo.
As paredes da EEI são revestidas por uma superfície refletora e são constituídas por materiais de baixa condutividade térmica.
A estação dispõe ainda de um sistema de controlo de temperatura que permite regular a transferência de energia para o espaço.
1.1. A superfície refletora permite ____ a absorção da radiação solar, e a transferência de energia da estação para o espaço ocorre, essencialmente, por ____.
(A) minimizar … radiação
(B) maximizar … radiação
(C) minimizar … condução
(D) maximizar … condução
- Opção (A)
⇒ A superfície refletora permite minimizar a absorção da radiação solar, e a transferência de energia da estação para o espaço ocorre, essencialmente, por radiação.
Notas:
⇒ Sendo as paredes da EEI revestidas por uma superfície refletora, o que significa que a fração de radiação incidente que é refletida é elevada, ou seja, é minimizada a absorção de radiação solar.
⇒ A condução térmica é explicada através da interação das partículas constituintes dos sistemas (o mesmo pode ser referido para a convecção). Uma vez que se admitiu que a região em que a EEI se move pode ser considerada como vácuo, a condução térmica não é possível.
⇒ Resta, portanto, como mecanismo de transferência de energia, a radiação.
- Opção (A) ……………. 10 pontos
1.2. O período orbital da EEI é 1,5 horas.
Admita que, numa dada zona da EEI:
– para manter a temperatura do ar, é necessário que a potência transferida para o espaço seja, em média, 30 kW por cada órbita;
– a massa de ar nessa zona é 1,1 x 103 kg, e a capacidade térmica mássica do ar é 7,2 x 102 J kg-1 ºC-1.
Devido a uma avaria, verificou-se que a temperatura do ar naquela zona aumentou 17 ºC, no intervalo de tempo que a EEI leva a descrever uma órbita.
Calcule a percentagem da energia absorvida pelo ar existente naquela zona da EEI, em relação à energia que deveria ter sido transferida para o espaço.
Apresente todos os cálculos efetuados.
⇒ Cálculo da energia da radiação emitida pela EEI durante uma órbita, em média, para o espaço na ausência de avaria:
⇒ Cálculo da variação de energia interna da amostra de ar (energia absorvida pelo ar, 𝐸abs.) existente numa dada zona no interior da EEI:
⇒ Cálculo da percentagem da energia absorvida pelo ar existente naquela zona no interior da EEI, em relação à energia que deveria ter sido transferida para o espaço:
- Determina o valor solicitado, percorrendo as etapas seguintes:
⇒ Calcula a energia absorvida pelo ar existente na zona considerada da EEI, naquele intervalo de tempo (1,35 x 107 J) …….. 5 pontos
⇒ Calcula a percentagem da energia absorvida pelo ar existente na zona considerada da EEI, em relação à energia que deveria ter sido transferida para o espaço ( 8,3 %) …….. 5 pontos
2. (2021 – EE) Muitos satélites movimentam-se em órbitas aproximadamente circulares e estão equipados com painéis fotovoltaicos que produzem a energia necessária ao seu funcionamento.
Um satélite geoestacionário possui painéis fotovoltaicos cuja área total é 6,0 m2.
Considere que a irradiância solar média é 1,25 kW m-2 e que, ao fim de uma órbita, a energia elétrica produzida pelos painéis é 22 kW h.
O rendimento médio dos painéis fotovoltaicos será
(A) 49%
(B) 34%
(C) 24%
(D) 12%
- Opção (D)
⇒ Como o satélite é geoestacionário, o tempo que leva a percorrer uma órbita é igual a 24 h.
- Opção (D) ……………. 10 pontos
3. (2022 – 1ªF) A erupção de um vulcão pode libertar energia suficiente para vaporizar a água de um lago.
Calcule a energia, em unidades SI, necessária para vaporizar 59 400 m3 de água no estado líquido, à pressão atmosférica normal.
Admita que, nas condições indicadas:
– a massa volúmica da água é 1,00 g cm-3 ;
– a temperatura inicial da água é 18,0 ºC ;
– a entalpia de vaporização da água é 2,26 x 103 kJ/kg-1.
Apresente todos os cálculos efetuados.
A pontuação obtida na resposta contribui obrigatoriamente para a classificação final da prova.
⇒ Cálculo da energia necessária, 𝐸1, para que, à pressão atmosférica normal, a temperatura da água do lago se eleve de 18,0 ℃ para 100,0 ℃ (considerada o ponto de ebulição):
E1 = c m Δθ
em que 𝑐 é a capacidade térmica mássica da água do lago, 𝑚 a massa da água do lago e Δ𝜃 a variação de temperatura.
- Admite-se que :
‒ durante o processo, a porção de água do lago que se evapora é desprezável;
‒ a capacidade térmica mássica da água do lago é a da água líquida e que permanece constante nesse intervalo de temperaturas;
‒ a 18,0 ℃, a densidade da água do lago é 1,00 g cm−3 (1,00×103 kg m−3)
A massa da água do lago obtém-se usando a equação de definição de densidade.
⇒ Cálculo da energia necessária, 𝐸2, para que, à pressão atmosférica normal, a água do lago passe do estado líquido para o estado gasoso:
E2 = m x Δhvaporização
em que 𝑚 a massa da água do lago e Δℎvaporização a variação de entalpia de vaporização
- 𝐸2 = 5,940 × 107 × 2,26×106 ⇔𝐸2 = 1,342 × 1014 J
⇒ Cálculo da energia total, 𝐸total, envolvida no processo:
- 𝐸total = 𝐸1 + 𝐸2 ⟶ 𝐸total =2,036 × 1013 J + 1,342 × 1014 J ⇔ 𝐸total = 1,55 × 1014 J
- Determina o valor solicitado, percorrendo as etapas seguintes:
⇒ Calcula a energia necessária para elevar a temperatura da água de 18 ºC a 100 ºC (2,036 x 1013) (ver nota) …….. 4 pontos
⇒ Calcula a energia necessária à mudança de estado físico da água (1,342 x 1014 J ) (ver nota) …….. 4 pontos
⇒ Calcula a energia necessária à vaporização de 59 400 m3 de água (1,55 x 1014 J) ……… 2 pontos
Nota:
- A ordem das três primeiras etapas é arbitrária.
4. (2022 – 1ªF) O satélite de observação solar SOHO contém instrumentos que permitem estudar distúrbios do vento solar.
O satélite SOHO está equipado com painéis fotovoltaicos.
Considere que a potência média da radiação solar por unidade de área, na órbita do satélite, é 1370 W m-2 e que o conjunto de painéis fotovoltaicos instalados no satélite tem um rendimento médio de 20%.
Admita que a potência útil dos painéis é 1500 W.
Qual das expressões seguintes permite calcular a área total de painéis fotovoltaicos no SOHO?
- Opção (B)
- Opção (B) ……………. 10 pontos
5. (2022 – 2ªF) Na Figura 5, está esquematizado um processo laboratorial destinado a estudar o aquecimento de uma amostra de água.
Montou-se um circuito elétrico com uma pilha, um interruptor e uma resistência de imersão, R.
Neste circuito, foram instalados dois aparelhos de medida, um voltímetro e um amperímetro.
Qual das opções seguintes pode representar o processo responsável pelo aquecimento da água nesta experiência?
A pontuação obtida na resposta contribui obrigatoriamente para a classificação final da prova.
- Opção (C)
⇒ O processo representado responsável pelo aquecimento da água é a convecção.
⇒ A temperatura da água que está em contacto com a resistência aumenta, o que provoca uma diminuição da sua densidade. Logo, a água menos densa sobe, entrando em contacto com a água a temperaturas menores, arrefecendo.
⇒ Consequentemente, a sua densidade aumenta, pelo que volta a descer, gerando, assim, as correntes de convecção.
- Opção (C) ……………. 10 pontos
6. (2022 – EE) Num certo local, foi construído um sistema de aquecimento de água de baixo custo, que funciona como a seguir se descreve.
O sistema é constituído por um coletor solar e por um reservatório, encontrando-se este numa posição mais elevada em relação àquele.
A água, que circula no coletor solar dentro de tubos, é aquecida pelo Sol e sobe, por convecção, ao reservatório.
A água mais fria do reservatório desce para o coletor. A repetição cíclica deste processo possibilita o aquecimento da água do reservatório.
6.1. Nos esquemas seguintes, as setas indicam o sentido da circulação da água.
Qual dos esquemas apresenta a forma mais eficiente de ligar o coletor solar ao reservatório, para aquecer a água do reservatório?
- Opção (B)
⇒ A água mais quente, acumulada na parte superior do coletor, solar deve ser ligada à parte superior do reservatório.
⇒ A água mais fria, contida na parte inferior do reservatório, deve ser ligada à parte inferior do coletor solar para ser aquecida pelo sol e subir, por convecção, ao reservatório, repetindo, assim, o processo de aquecimento.
- Opção (B) ……………. 10 pontos
6.2. O coletor solar foi construído com uma área de 2,5 m2, e o sistema coletor solar + reservatório foi cheio com 100 L de água.
Após 7,0 h de exposição solar, a temperatura da água subiu de 23 ºC para 41 ºC.
Admita que a irradiância solar média, no nível em que o coletor se encontra, é 600 W m-2 e que ρágua = 1,00 kg dm-3.
Considere desprezável o aquecimento do reservatório por exposição solar direta e a reflexão no coletor solar.
Calcule a energia dissipada neste processo de aquecimento.
Apresente todos os cálculos efetuados.
A pontuação obtida na resposta contribui obrigatoriamente para a classificação final da prova.
⇒ Em 7,0 h de exposição solar, a energia da radiação solar, Erad, que incide no coletor é:
⇒ Neste tempo de exposição solar, a energia absorvida pela água, Eútil, é dada pela expressão:
⇒ A energia dissipada neste processo de aquecimento é, então:
- Determina o valor solicitado, percorrendo as etapas seguintes:
⇒ Calcula a energia da radiação solar que incide no coletor em 7,0 h de exposição solar (E = 3,78 x 107 J) (ver nota) …….. 4 pontos
⇒ Calcula a energia que é absorvida pela água em 7,0 h de exposição solar (E = 7,52 x 106 J) (ver nota) ……… 3 pontos
⇒ Calcula a energia dissipada no processo de aquecimento considerado (E = 3,0 x 107 J) ……… 3 pontos
Nota:
- A ordem das três primeiras etapas é arbitrária.
