PAVE XVII — 2ª Etapa — Questões de Física comentadas — Método TEF
UFPel · Programa de Avaliação da Vida Escolar · Triênio 2020–2022 · Aplicação: 10/04/2022
Questões 1, 2, 3, 8 e 9 de Ciências da Natureza — Física · gabarito oficial e resolução comentada Método TEF.
Dados da prova
EdiçãoPAVE XVII
Triênio2020–2022
Etapa2ª etapa
Aplicação10/04/2022
DisciplinaCiências da Natureza (Física)
QuestõesQ1, Q2, Q3, Q8 e Q9
A alternativa (f) corresponde a “Ignoro a resposta (I.R.)”. Nesta etapa a prova reúne Física, Química e Biologia no bloco Ciências da Natureza; esta página traz as questões 1, 2, 3, 8 e 9, mantendo a numeração original. A questão 2 foi anulada no gabarito definitivo.
Segundo dados do MetSul, a temperatura no mês de janeiro de 2022 bateu recordes, com os termômetros marcando valores acima dos 40°C em diversas regiões. Na cidade de Uruguaiana, a máxima chegou aos 41,8°C, no dia 16 de janeiro, sendo a mais alta desde o começo dos registros, em 1912. Na cidade de Pelotas, neste mesmo dia, as temperaturas chegaram a 37°C. Com esses recordes de temperaturas, associados à falta de chuva, é estimado que a quebra na produção agrícola terá impacto de até R$ 115 bilhões em todos os setores da economia e levará a um recuo de 8% no Produto Interno Bruto, conforme dados da Federação da Agricultura do Estado do RS.
Um pesquisador, que mora na cidade de Pelotas, e desenvolve seu trabalho na área da agricultura, precisa transformar a temperatura de 37°C para a temperatura em graus Fahrenheit. O valor obtido pelo pesquisador será de:
(a)40°F.
(b)333,0°F.
(c)41,8°F.
(d)98,6°F.
(e)69,0°F.
(f)I.R.
Gabarito oficial
(d)
Resolução comentada
A relação entre as escalas Celsius e Fahrenheit vem da proporção entre os intervalos entre os pontos fixos (0 a 100 °C e 32 a 212 °F):
Vale reconhecer o resultado: 37 °C é a temperatura corporal usual, que corresponde a 98,6 °F. Os erros mais comuns são multiplicar por 9 e esquecer de dividir por 5 (333) ou apenas somar 32 a 37 (69).
Q2
Termologia — Calorimetria — Calor sensível e energia de combustão
Leia o texto a seguir para a resolução das questões 2 e 3.
As organizações ambientais têm alertado para questões do desmatamento, da queima de combustíveis fósseis, do consumo consciente da água e da energia elétrica entre outros. Tais fatores são diretamente associados às mudanças climáticas que estamos vivenciando nos dias de hoje, como as fortes secas que assolam as plantações e inviabilizam a criação de animais e, até mesmo, dificultam o consumo de água potável.
A crise hídrica levou o governo a adotar desde 2015 o Sistema de Bandeiras Tarifárias, para determinar o acréscimo no valor da energia elétrica ao consumidor final, dependendo das condições de geração de eletricidade.
A estrutura de uma termelétrica é composta basicamente por uma fonte de calor, gerado pela combustão de gás natural, carvão, diesel ou biomassa, que aquece uma caldeira produzindo vapor de água, que, submetido a altas pressões, faz girar uma turbina que gera a eletricidade.
A água é empregada neste tipo de usina, pois é uma substância barata e ainda abundante, apesar de apresentar uma elevada capacidade calorífica de aproximadamente 4,0 J.°C-1.g-1. Sendo assim, é necessário mais calor para elevar a temperatura da água quando comparada a uma substância com baixa capacidade calorífica, como, por exemplo, o ar (capacidade calorífica de aproximadamente 1,0 J.°C-1.g-1).
A combustão é uma reação exotérmica, portanto, o calor é liberado no sentido direto da reação. Tomemos como exemplo a equação termoquímica para a combustão do metano (CH4), uma das substâncias que compõem o gás natural, na presença de gás oxigênio (O2) gerando água (H2O), dióxido de carbono (CO2) e calor.
A cada 1 mol de gás metano que é queimado, são liberados 890 kJ de calor com a capacidade de elevar a temperatura de 10 Kg de água (H2O) em aproximadamente 21,3 °C, se nada de calor for perdido.
Considere os seguintes dados aproximados:
q = m . c . Δt
MM(água) = 18g/mol
MM(CO2) = 44 g/mol
densidade(água) = 1 kg/cm3
P.F.(água) = 0 ºC
P.E.(água) = 100°C
temperatura em K = T (ºC) + 273
890 KJ 213 ~ Kcal
Levando em consideração o texto e o fato de que toda a energia gerada foi utilizada para aquecer a água sem nenhuma perda, escolha a alternativa correta.
(a)O ponto de ebulição da água é igual a 423 K.
(b)Para que 10 litros de água entrem em ebulição, partindo da temperatura de 25 ºC, será necessária a combustão de aproximadamente 3,4 mols de metano.
(c)2 mol de metano eleva a temperatura de 10 litros de água em 294 K.
(d)A cada 2 mols de metano que são queimados são liberados 88 g de CO2 e 36 g de água.
(e)Durante o processo, ocorre a solidificação da água.
(f)I.R.
Gabarito oficial
Questão anulada
Resolução comentada
Vamos analisar cada afirmação com os dados do texto. Como a densidade da água é de 1 kg por litro, 10 L de água correspondem a $m=10\,000\text{ g}$.
Ponto de ebulição: $T=100+273=373\text{ K}$, e não 423 K.
Variação de temperatura com 2 mol: 1 mol de metano eleva a temperatura em cerca de 21,3 °C, logo 2 mol elevam em cerca de $42{,}6\text{ °C}$ (variação que vale o mesmo número em kelvin), e não 294 K.
Massas produzidas: 2 mol de CH4 geram 2 mol de CO2 ($2\cdot44=88\text{ g}$) e 4 mol de H2O ($4\cdot18=72\text{ g}$), e não 36 g de água.
Solidificação: a água está sendo aquecida e passa a ferver; não há solidificação.
Mols de metano para ferver 10 L, de 25 °C a 100 °C: $\Delta t=75\text{ °C}$. Com $c=4{,}0\text{ J}\cdot\text{g}^{-1}\cdot\text{°C}^{-1}$, dado no texto:
Porém, o próprio enunciado afirma que 890 kJ elevam 10 kg de água em 21,3 °C, o que corresponde a $c\approx4{,}18\text{ J}\cdot\text{g}^{-1}\cdot\text{°C}^{-1}$. Com esse valor, $n\approx3{,}5\text{ mol}$. Os dados fornecidos não são coerentes entre si, e o resultado depende de qual deles se adota.
Gabarito definitivo: questão anulada.
Q3
Termologia — Calorimetria — Capacidade térmica e calor específico
Leia o texto a seguir para a resolução das questões 2 e 3.
As organizações ambientais têm alertado para questões do desmatamento, da queima de combustíveis fósseis, do consumo consciente da água e da energia elétrica entre outros. Tais fatores são diretamente associados às mudanças climáticas que estamos vivenciando nos dias de hoje, como as fortes secas que assolam as plantações e inviabilizam a criação de animais e, até mesmo, dificultam o consumo de água potável.
A crise hídrica levou o governo a adotar desde 2015 o Sistema de Bandeiras Tarifárias, para determinar o acréscimo no valor da energia elétrica ao consumidor final, dependendo das condições de geração de eletricidade.
A estrutura de uma termelétrica é composta basicamente por uma fonte de calor, gerado pela combustão de gás natural, carvão, diesel ou biomassa, que aquece uma caldeira produzindo vapor de água, que, submetido a altas pressões, faz girar uma turbina que gera a eletricidade.
A água é empregada neste tipo de usina, pois é uma substância barata e ainda abundante, apesar de apresentar uma elevada capacidade calorífica de aproximadamente 4,0 J.°C-1.g-1. Sendo assim, é necessário mais calor para elevar a temperatura da água quando comparada a uma substância com baixa capacidade calorífica, como, por exemplo, o ar (capacidade calorífica de aproximadamente 1,0 J.°C-1.g-1).
A combustão é uma reação exotérmica, portanto, o calor é liberado no sentido direto da reação. Tomemos como exemplo a equação termoquímica para a combustão do metano (CH4), uma das substâncias que compõem o gás natural, na presença de gás oxigênio (O2) gerando água (H2O), dióxido de carbono (CO2) e calor.
A cada 1 mol de gás metano que é queimado, são liberados 890 kJ de calor com a capacidade de elevar a temperatura de 10 Kg de água (H2O) em aproximadamente 21,3 °C, se nada de calor for perdido.
Considere os seguintes dados aproximados:
q = m . c . Δt
MM(água) = 18g/mol
MM(CO2) = 44 g/mol
densidade(água) = 1 kg/cm3
P.F.(água) = 0 ºC
P.E.(água) = 100°C
temperatura em K = T (ºC) + 273
890 KJ 213 ~ Kcal
Considerando o texto e a situação em que toda a energia gerada foi utilizada para aquecer a água sem nenhuma perda, é correto dizer que:
(a)a capacidade térmica dos 10 Kg de água é igual a 23 Cal/°C.
(b)a água utilizada na termelétrica, quando aquecida, diminui a solubilidade de todos os eventuais sais dissolvidos nela.
(c)para que 10 litros de água sofram uma variação de 21,3°C são necessários 45 Kcal.
(d)a água é considerada um soluto universal, pois apresenta baixa solubilidade na grande maioria dos sais.
(e)o calor específico da água no estado líquido é igual a 1 cal/g°C.
(f)I.R.
Gabarito oficial
(e)
Resolução comentada
Passo a passo, com $m=10\,000\text{ g}$ de água:
Capacidade térmica: $C=m\cdot c=10\,000\cdot1=10\,000\text{ cal/°C}$ (10 kcal/°C), valor bem diferente de 23.
Esse é justamente o valor indicado na tabela do texto (890 kJ ≈ 213 kcal), e não 45 kcal.
Calor específico: por definição da caloria (quantidade de calor para elevar 1 g de água em 1 °C), o calor específico da água líquida é $c=1\text{ cal/g}\cdot\text{°C}$, o que é uma afirmação correta.
As afirmações sobre solubilidade pertencem à Química e não se sustentam: a solubilidade de sais não varia da mesma forma para todos e a água, por ser um excelente solvente de compostos iônicos, não tem “baixa solubilidade” para a maioria dos sais.
Q8
Termologia — Propagação do Calor — Condução, convecção e radiação
Segundo dados do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), Pelotas não é a segunda cidade mais úmida do mundo, mas a umidade pode chegar a 100 % em vários dias, aumentando os riscos para pacientes com rinites, sinusites ou asma.
Estando em Pelotas em dias quentes, e com valores elevados de umidade do ar, observamos que a evaporação do suor é mais lenta, fazendo com que as pessoas tenham uma sensação mais desagradável. O calor pode ser perdido pela pele de duas maneiras: pela troca direta de calor ou pela evaporação da água. Uma das formas de a água evaporar é através da sudorese, conhecida como “suor”.
O calor é uma forma de energia, que se transfere de um corpo para outro em virtude da diferença de temperatura entre eles e esta transferência pode ocorrer por condução, convecção e radiação.
Pode-se considerar correta a afirmativa:
(a)A transferência de calor por radiação se dá por meio de ondas eletromagnéticas, que podem se propagar no vácuo. A sudorese é realizada pelas glândulas sudoríparas, sendo esta uma glândula exócrina que secreta o suor para fora do corpo.
(b)Na transferência de calor por condução, a energia se transfere em virtude da agitação atômica no material, podendo se propagar no vácuo. A glândula sudorípara é uma glândula endócrina que secreta o suor para dentro do corpo.
(c)A transferência de calor nos líquidos ocorre por meio de correntes de convecção, que se formam em virtude da diferença entre densidades das partes mais quentes e mais frias do líquido, podendo se propagar no vácuo. O suor é secretado para fora do corpo através da glândula sebácea, sendo esta endócrina.
(d)A transferência de calor nos líquidos acontece por meio de ondas eletromagnéticas, que não podem ser propagadas no vácuo. A perda de calor pelo suor é realizada pela glândula sebácea, que é exócrina e que secreta o suor para dentro do corpo.
(e)A transferência de calor se dá por meio de ondas eletromagnéticas, que não se propagam no vácuo. A perda de calor pelo suor é realizada pela glândula sebácea.
(f)I.R.
Gabarito oficial
(a)
Resolução comentada
A questão mistura Física e Biologia; a chave é separar as duas partes de cada afirmação.
Física. Há três processos de propagação do calor:
• condução: transmissão por agitação e choques entre partículas, que exige meio material e, portanto, não ocorre no vácuo;
• convecção: movimento de massas de fluido com densidades diferentes (o mais quente sobe, o mais frio desce), que também exige meio material;
• radiação: transmissão por ondas eletromagnéticas, único processo que se propaga no vácuo, como a luz do Sol chegando à Terra.
Biologia. O suor é produzido pelas glândulas sudoríparas, que são exócrinas: lançam a secreção para fora do corpo, por meio de ductos. A glândula sebácea produz sebo, e não suor.
Dessa forma, só é verdadeira a afirmação que une as duas ideias corretas: radiação por ondas eletromagnéticas (que se propagam no vácuo) e suor secretado por glândulas sudoríparas exócrinas para fora do corpo. Todas as outras trazem pelo menos um erro: condução ou convecção “no vácuo”, ondas eletromagnéticas que “não se propagam no vácuo”, ou glândulas sebáceas/endócrinas ligadas ao suor.
Q9
Ondulatória — Ondas Eletromagnéticas — Comprimento de onda e frequência
Fonte: https://www.terra.com.br/gameon/5g-o-que-muda-com-a-chegada-da-nova-geracao-de-internet-movel,d9d5b100f17f441af2ce607628f579749ovk290f.html. Acesso em 25/02/2022.
Desde o surgimento dos primeiros celulares, nos anos 80, novas tecnologias relacionadas à transmissão de dados são lançadas, desde a primeira geração (1G), até a chegada do 5G, que promete aumentar a velocidade de download entre 10 e 20 vezes. Para quem gosta de jogos pela internet, incrementa também a participação de mais jogadores ao mesmo tempo, no mesmo jogo, e novas possibilidades surgem, deixando as cidades mais conectadas e inteligentes. As faixas de radiofrequências utilizadas pelo 5G no Brasil são de 2,3 a 3,5 GHz.
Referência: Adaptado de https://azeheb.com.br/blog/o-futuro-e-a-fisica-por-tras-do-5g/. Acesso em: 25/02/2022.
Sabendo que a velocidade da luz no vácuo é c = 3.108m/s, o comprimento de onda, aproximado, dessas ondas eletromagnéticas é de:
(a)0,777 m e 1,167 m.
(b)0,130 m e 0,086 m.
(c)0,690 m e 0,105 m.
(d)0,460 m e 0,070 m.
(e)0,077 m e 0,167 m.
(f)I.R.
Gabarito oficial
(b)
Resolução comentada
Toda onda eletromagnética no vácuo obedece a $c=\lambda\cdot f$, logo $\lambda=\dfrac{c}{f}$. Como $\lambda$ e $f$ são inversamente proporcionais, a menor frequência dá o maior comprimento de onda.
Para $f=2{,}3\text{ GHz}=2{,}3\cdot10^{9}\text{ Hz}$:
