Ficha nº4

1.3.3 Transferências de energia por calor

1.3.4 Radiação e irradiância. Painéis fotovoltaicos

1. Joule, na sua famosa experiência, aqueceu água contida num recipiente movimentando pás no interior deste.

Tal experiência conduziu à seguinte ideia:

(A) Só é possível aquecer um corpo a partir, por exemplo, de uma chama.

(B) O calor flui dos corpos mais quentes para os corpos mais frios.

(C) O calor e o trabalho são processos equivalentes para o aquecimento de um corpo.

(D) Apenas se pode aquecer um corpo através de trabalho.

2. Considere as seguintes afirmações:

I. Se dois sistemas se encontram em equilíbrio térmico, então possuem a mesma temperatura.

II. Se dois sistemas se encontram em equilíbrio térmico, então possuem a mesma quantidade de calor.

III. Calor é a temperatura em trânsito de um sistema para outro.

IV. Calor é uma forma de energia em trânsito entre sistemas.

Selecione a opção correta.

(A) I, II, III e IV são corretas

(B) I, II, III são corretas

(C) I, II e IV são corretas

(D) I e IV são corretas

(E) II e III são corretas

3. Identifique a principal transformação de energia que ocorre numa célula fotovoltaica.

4. Selecione a opção que traduz correntemente a Lei Zero da Termodinâmica.

A. Dois sistemas A e B estão em equilíbrio térmico quando transferem para a vizinhança a mesma energia.

B. Dois sistemas A e B estão em equilíbrio térmico entre si quando estão à mesma temperatura.

C. Dois sistemas A e B estão em equilíbrio térmico entre si quando a variação de energia interna do sistema permanece constante no tempo.

D. Dois sistemas A e B estão em equilíbrio térmico entre si quando a variação de energia interna do sistema é nula.

5. A potência da radiação eletromagnética emitida pelo Sol é cerca de 3,846 x 1026 W.

5.1 Calcule a emitância radiante solar, considerando que o Sol é uma esfera e qu e o raio solar é cerca de 0,70 milhões de quilómetros.

5.2 Calcule a irradiância solar média ao nível da órbita da Terra. Considere qu e a distância média do Sol à Terra é de 150 milhões de quilómetros.

5.3 A Estação Espacial Internacional [ISS] orbita a Terra a uma altitude méd ia de 420 km.

Num determinado período de funcionamento, o conjunto de pa inéis fo tovoltaicos (8 painéis, cada um com comprimento de 35,0 m e largura de 12,0 m) que alimentam a ISS consegue tranferir para os equipamentos da estação um máximo de 262,4 kW.

Supondo que a energia da radiação eletromagnética inci dente nos painéis é proveniente somente do Sol, e que a irradiância nos painéis é a que foi calculada na alínea anterior, calcule o rendimento dos painéis da ISS nesse período de funcionamento.

6. Leia, atentamente, o texto seguinte.
"Um ciclista move-se, durante a noite, numa estrada com os faróis acesos. O movimento da roda traseira da bicicleta faz com que esta transfira energia para o dínamo, que transforma a energia do movimento em energia elétrica que é transferida para os faróis. Nos faróis, as lâmpadas de incandescência acesas transformam a energia elétrica em energia radiante. Os faróis, os fios de ligação e o dínamo aquecem.
Nos sistemas de travagem da bicicleta há um disco de metal que roda juntamente com o eixo da roda. Durante a travagem, uma pinça aperta os calços contra o disco e este pára devido ao atrito, o que leva a um aumento da temperatura dos discos.
"

6.1. Na travagem da bicicleta há um aumento da temperatura dos discos. Esse aquecimento não resulta de nenhuma fonte de calor. Com base na experiência de Joule, explique a origem doaquecimento .

6.2. Sabendo que a energia pode ser transferida de ou para um sistema, sob a forma de trabalho ou calor, selecione do texto um exemplo de cada um desses processos.

7. Em que situação há transferência de energia através de calor?

(A) Empurrar um carrinho de compras.

(B) Erguer um haltere.

(C) Aquecer leite numa chama.

(D) Aquecer leite que está numa garrafa agitando-a vigorosamente.

8. Dois corpos A e B, de massas mA e mB (mA = 2 mB), encontram-se inicialmente às temperaturas de ϴA e ϴB, respetivamente, com ϴA = 3 ϴB . Num dado instante, são postos em contacto térmico. Após atingir o equilíbrio térmico, teremos:

(A) ϴA < ϴB

(B) ϴA > ϴB

(C) ϴA = ϴB

(D) ϴA = 6 ϴB

Selecione a opção correta.

9. Indique duas vantagens e duas desvantagens da produção de energia elétrica nos painéis fotovoltaicos relativamente às formas de produção a partir de combustíveis fósseis.

 

10. Selecione a opção correta.

Um corpo A está em equilíbrio térmico com um corpo B, de igual matéria, mas de menor massa.

Pode afirmar-se que:

A. Há transferência espontânea de energia por calor do corpo A para o corpo B.

B. O corpo A tem maior calor.

C. Ambos os corpos estão à mesma temperatura.

D. Ambos os corpos estão com a mesma quantidade de calor.

11. A estrela Vega, da constelação Lira, é a quinta estrela mais brilhante do céu noturno. Vega está a uma distância de cerca 25 anos-luz da Terra. O astrofísico Carl Sagan, na sua obra Contacto, imaginou que a partir de Vega estavam a ser transmitidos sinais para a Terra, provenientes de seres inteligentes. A potência da radiação eletromagnética emitida pela estrela Vega é cerca de 40 vezes superior à do Sol, sendo o valor desta 3,846 x 1026 W.

Dado: c = 3,0 x 108 m s-1

11.1 Estime a que distância de Vega deve estar um planeta para que a irradiância ao nível da sua órbita, devida à radiação eletromagnética proveniente de Vega, seja igual à irradiância solar da Terra (Ee(Terra)= 1,36 x 103 W m-2).

11.2 Estime o valor da irradiância de Vega à distância da Terra.

12. Foi Thompson, conde de Rumford, no final do séc. XVIII, quem primeiro notou uma relação entre calor e trabalho. Enquanto supervisionava a produção de canhões, verificou que a rosca perfuradora fazia aquecer consideravelmente a limalha de ferro e que era preciso uma grande quantidade de água para arrefecer o canhão.

Assim, constatou que é possível aumentar a energia interna de um sistema quer transferindo energia sob a forma de calor quer sob a forma de trabalho, sugerindo a existência de uma relação entre trabalho e calor.

12.1. Sobre o conceito de calor, selecione a opção correta.

(A) É uma forma de energia que se atribui somente aos corpos quentes.

(B) É uma forma de energia que se transfere somente entre sólidos.

(C) É uma forma de energia que é transferida entre dois sistemas com diferentes valores de energia interna.

(D) É uma forma de energia que é transferida entre dois sistemas com diferentes valores de temperatura.

12.2. Selecione, das opções seguintes, a(s) que corresponde(m) à transferência de energia sob a forma de trabalho.

(A) Abrir a cortina do quarto para o aquecer com os raios do Sol.

(B) Empurrar um caixote.

(C) Colocar chá a arrefecer numa chávena.

(D) Cozinhar num forno de micro-ondas.

12.3. Atualmente as brocas são usadas em berbequins, aparelho elétrico que faz com que a broca gire e corte o material, perfurando-o.

À semelhança dos canhões, ao perfurar uma parede com uma broca, esta aquece. Explique a origem do aquecimento.

13. A cada uma das situações seguintes associe o(s) principal(ais) processo(s) de transferência de energia por calor.

A. Apanhar um escaldão na praia.

B. Assar carne com um espeto de ferro.

C. Aquecer uma panela com água num disco elétrico.

D. Aquecer o ar de uma casa com um aquecedor.

14. Num recipiente com paredes isoladoras são colocados 500 g de gelo, a 0 ºC. Por um pequeno orifício é lançada uma massa de 250 g de água a 100 ºC. Admita que não há perdas de energia como calor com o exterior.

14.1. Será que o gelo funde completamente?

14.2. Qual é a quantidade mínima de água a 100 ºC necessária à fusão de todo o gelo?

14.3. Suponha que se lançam 700 g de água a 100 ºC. Qual é a temperatura final atingida?

Dados:

∆Hfusão gelo = 3,33 x 105 J kg-1 Cágua = 4,18 x 103 J Kg-1 ºC-1

15. Normalmente, os painéis fotovoltaicos não estão ligados diretamente aos eletrodomésticos, mas sim a uma bateria, entre outros aparelhos.

Explique porquê.

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