Unesp · 2018 — 2ª Fase — Questões de Física comentadas — Método TEF

Universidade Estadual Paulista

Vestibular 2018 · Prova de Conhecimentos Específicos — questões discursivas de Física.

Q19
Mecânica — Hidrostática — Empuxo e dinâmica de esfera submersa

Uma esfera de massa $50\text{ g}$ está totalmente submersa na água contida em um tanque e presa ao fundo por um fio, como mostra a figura 1. Em dado instante, o fio se rompe e a esfera move-se, a partir do repouso, para a superfície da água, onde chega $0{,}60\text{ s}$ após o rompimento do fio, como mostra a figura 2.

Figura 1: esfera presa ao fundo do tanque por um fio, totalmente submersa. Figura 2: o fio rompido e a esfera chegando à superfície da água.

a) Considerando que, enquanto a esfera está se movendo no interior da água, a força resultante sobre ela é constante, tem intensidade $0{,}30\text{ N}$, direção vertical e sentido para cima, calcule, em m/s, a velocidade com que a esfera chega à superfície da água.

b) Considerando que apenas as forças peso e empuxo atuam sobre a esfera quando submersa, que a aceleração gravitacional seja $10\text{ m/s}^2$ e que a massa específica da água seja $1{,}0\times10^{3}\text{ kg/m}^3$, calcule a densidade da esfera, em $\text{kg/m}^3$.

Resultado esperado

a) $v=3{,}6\text{ m/s}$; b) $\rho_{esfera}=625\text{ kg/m}^3$.
Resolução comentada

a) A massa da esfera é $m=50\text{ g}=0{,}050\text{ kg}$. Como a resultante é constante, pela segunda lei de Newton a aceleração também é:

$$a=\dfrac{F_R}{m}=\dfrac{0{,}30}{0{,}050}=6{,}0\text{ m/s}^2$$

Partindo do repouso, em $0{,}60\text{ s}$:

$$v=a\,t=6{,}0\cdot0{,}60=3{,}6\text{ m/s}$$

b) Com apenas peso e empuxo, a resultante, para cima, é $F_R=E-P$. O peso é $P=mg=0{,}050\cdot10=0{,}50\text{ N}$, então:

$$E=F_R+P=0{,}30+0{,}50=0{,}80\text{ N}$$

Como a esfera está totalmente submersa, o empuxo é $E=\rho_{água}\,V\,g$, e daí sai o volume da esfera:

$$V=\dfrac{E}{\rho_{água}\,g}=\dfrac{0{,}80}{1{,}0\times10^{3}\cdot10}=8{,}0\times10^{-5}\text{ m}^3$$

A densidade da esfera é a razão entre sua massa e seu volume:

$$\rho_{esfera}=\dfrac{m}{V}=\dfrac{0{,}050}{8{,}0\times10^{-5}}=625\text{ kg/m}^3$$

Q20
Termologia — Termodinâmica — Máquina térmica e calorimetria

A figura mostra uma máquina térmica em que a caldeira funciona como a fonte quente e o condensador como a fonte fria.

Esquema de máquina a vapor: a caldeira, aquecida por fogo, produz vapor que aciona um cilindro com êmbolo ligado a um volante; o vapor segue para o condensador, onde circula a água de refrigeração, e a água retorna à caldeira.

a) Considerando que, a cada minuto, a caldeira fornece, por meio do vapor, uma quantidade de calor igual a $1{,}6\times10^{9}\text{ J}$ e que o condensador recebe uma quantidade de calor igual a $1{,}2\times10^{9}\text{ J}$, calcule o rendimento dessa máquina térmica.

b) Considerando que $6{,}0\times10^{3}\text{ kg}$ de água de refrigeração fluem pelo condensador a cada minuto, que essa água sai do condensador com temperatura $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ acima da temperatura de entrada e que o calor específico da água é igual a $4{,}0\times10^{3}\text{ J/(kg}\cdot{}^{\circ}\mathrm{C})$, calcule a razão entre a quantidade de calor retirada pela água de refrigeração e a quantidade de calor recebida pelo condensador.

Resultado esperado

a) $\eta=25\%$; b) razão igual a $0{,}40$ ($40\%$).
Resolução comentada

a) O calor fornecido pela caldeira é $Q_q=1{,}6\times10^{9}\text{ J}$ e o rejeitado ao condensador é $Q_f=1{,}2\times10^{9}\text{ J}$. O trabalho útil é a diferença, e o rendimento é:

$$\eta=\dfrac{Q_q-Q_f}{Q_q}=1-\dfrac{1{,}2\times10^{9}}{1{,}6\times10^{9}}=1-0{,}75=0{,}25=25\%$$

b) O calor retirado pela água de refrigeração em um minuto é:

$$Q_{água}=m\,c\,\Delta\theta=6{,}0\times10^{3}\cdot4{,}0\times10^{3}\cdot20=4{,}8\times10^{8}\text{ J}$$

A razão pedida, com o calor recebido pelo condensador, é:

$$\dfrac{Q_{água}}{Q_f}=\dfrac{4{,}8\times10^{8}}{1{,}2\times10^{9}}=0{,}40$$

Q21
Eletricidade — Eletrodinâmica — Consumo de energia e associação em paralelo

Em uma sala estão ligados um aparelho de ar-condicionado, um televisor e duas lâmpadas idênticas, como mostra a figura. A tabela informa a potência e a diferença de potencial de funcionamento desses dispositivos.

Charge de um homem espiando por uma porta entreaberta uma sala em que estão ligados o ar-condicionado, um televisor e a iluminação.
DispositivoPotência (W)DDP (V)
Ar-condicionado1 100110
Televisor44110
Lâmpada22110

a) Considerando o custo de $1\text{ kWh}$ igual a R$ $0{,}30$ e os dados da tabela, calcule, em reais, o custo total da energia elétrica consumida pelos quatro dispositivos em um período de $5{,}0$ horas.

b) Considerando que os dispositivos estejam associados em paralelo e funcionando conforme as especificações da tabela, calcule a intensidade da corrente elétrica total para esse conjunto, em ampères.

Resultado esperado

a) Aproximadamente R$ $1{,}78$; b) $i=10{,}8\text{ A}$.
Resolução comentada

a) A potência total dos quatro dispositivos (ar-condicionado, televisor e duas lâmpadas) é:

$$P_{tot}=1\,100+44+2\cdot22=1\,188\text{ W}=1{,}188\text{ kW}$$

A energia consumida em $5{,}0\text{ h}$ e o custo, a $0{,}30$ reais por kWh, são:

$$E=1{,}188\cdot5{,}0=5{,}94\text{ kWh}$$

$$\text{custo}=5{,}94\cdot0{,}30\approx1{,}78\text{ reais}$$

b) Em paralelo, todos os dispositivos funcionam sob os $110\text{ V}$ da tabela. A corrente total decorre da potência total:

$$i=\dfrac{P_{tot}}{U}=\dfrac{1\,188}{110}=10{,}8\text{ A}$$

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