AULA_FÍSICA_MODULO3 by Jorge Mangueira

AULA 1 – AMETROPIAS E LENTES DE CORREÇÃO OLHO HUMANO REDUZIDO O olho humano é um instrumento óptico altamente sofisticado, fazendo uma comparação com os atuais padrões tecnológicos, podemos concluir que seu sistema de funcionamento pode ser comparado ao de uma câmera fotográfica, em que a pupila é o diafragma, o cristalino é a lente, e a retina seria o filme fotográfico em cores. Para o estudo das ametropias e suas correções, as principais partes do olho humano são o Cristalino, que é a lente convergente natural do olho e a Retina que é o anteparo ou tela onde as imagens devem ser projetadas pelo sistema óptico formado pelo olho. HIPERMETROPIA - Apresenta como defeito o encurtamento do Cristalino

Retina

globo ocular. Dificuldade de enxergar objetos mais próximos. É corrigida com o uso de lentes convergentes.

No olho normal ou Emétrope a imagem é focalizada na retina.

ASTIGMATISMO - Apresenta defeito na córnea, com raios de curvatura irregulares. Ocasiona uma visão manchada dos objetos. A correção é feita com o uso de lentes cilíndricas. PONTO PRÓXIMO ( PP ) de um globo ocular é a posição mais próxima que pode ser vista nitidamente, realizando esforço máximo

acomodação.

pessoa

normal,

situa-se,

convencionalmente, a 25 cm. ACOMODAÇÃO VISUAL é o mecanismo pelo qual o olho humano altera a vergência do cristalino, permitindo à pessoa normal enxergar nitidamente desde uma distância de aproximadamente 25 cm até o infinito. PONTO REMOTO ( PR ) de um globo ocular é a posição mais afastada que pode ser vista nitidamente, sem esforço de acomodação. Na pessoa normal, este ponto está situado no

PRESBIOPIA - Apresenta como defeito o endurecimento do cristalino com perda da capacidade de acomodação visual. Não é defeito congênito, mais decorrente da idade. É conhecida vulgarmente como "vista cansada". A correção é feita com o uso de lentes convergentes.

infinito. AMETROPIAS MIOPIA - Apresenta como defeito o achatamento do globo ocular, provocando um alongamento no eixo óptico. O míope tem dificuldade de enxergar objetos mais distantes. A imagem é formada antes da retina. A correção é feita através de lentes divergentes

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AULA 1 – AMETROPIAS – EXERCÍCIOS DE SALA

AULA 1 – AMETROPIAS – EXERCÍCIOS DE CASA

1. Indivíduos com visão normal têm distância máxima de visão distinta (ponto remoto) infinitamente grande (d) e distância mínima de visão distinta (ponto próximo) igual a 25 cm. As imagens de um olho emétrope (normal) são projetadas pelo cristalino sobre a retina. Considere uma pessoa A que, sem usar lentes de correção, só consegue ver, nitidamente, objetos colocados em distâncias além de 40 cm de seus olhos. Considere, também, uma pessoa B que tem o ponto remoto a 5 metros de seus olhos. Sobre essas duas pessoas podemos afirmar corretamente que:

4. A hipermetropia se deve ao encurtamento do globo ocular em relação à distância focal do cristalino. Isso causa dificuldade para enxergar objetos próximos e principalmente para leitura de textos. Uma pessoa, ao perceber que a menor distância focal em que consegue ler um livro é 50,0 cm, foi a um oculista que, percebendo que ela estava com hipermetropia, receitou lentes de correção para o defeito de sua visão, a fim de que ela pudesse ler livros a uma distância mínima confortável de 25,0 cm de sua vista. Qual é a vergência, em dioptrias (em graus) dessa lente, capaz de corrigir esse defeito?

RETINA

a) 3,0 b) 2,0 c) 2,5 d) 4,0 e) 3,5

Fig. 1

5. Fatores temporais, geográficos e meteorológicos afetam a irradiância espectral (energia por unidade de área e de tempo) da radiação ultravioleta (RUV) solar na superfície da Terra. No verão cerca de 70% a 80% da irradiância total diária de RUV atinge a Terra entre 9 e 15 horas. É por esse motivo que se recomenda aos veranistas para irem à praia antes das 9 horas ou depois das 15 horas. A irradiância é maior próximo do equador no verão em relação à primavera e o outono e diminui com a latitude (distância ao equador). Uma pessoa que ignorou as recomendações, no que se refere à exposição ao Sol sem a devida proteção, chega ao consultório médico e o dermatologista que a examina faz uso e uma lupa, para visualizar melhor uma dermatose. A imagem da doença da pele fornecida pela lupa é:

Fig. 2

Lente X

Lente Y a) Real invertida e maior, pois a lupa é uma lente convergente e dermatose está entre o foco e o ponto anti-principal da lente. b) Virtual direita e maior, pois a lupa é uma lente divergente e dermatose está entre o foco e a lente. c) Virtual direita e maior, pois a lupa é uma lente convergente e dermatose está entre o foco e a lente. d) Virtual direita e maior, pois a lupa é uma lente divergente e dermatose está além do ponto anti-principal da lente. e) Real invertida e maior, pois a lupa é uma lente convergente e dermatose está entre o foco a lente.

I- A pessoa A é portadora de miopia e a pessoa B de hipermetropia. II- A pessoa A e B são acometidas das ametropias mostradas nas figuras 1 e 2 respectivamente. III- Para a correção da ametropia da pessoa A um oftalmologista prescreve uma lente convergente de vergência 1,5 dioptrias. IV- Para que a pessoa B possa ter visão normal deve usar lentes divergentes de – 0,2 dioptrias. V- As pessoas A e B devem usar para corrigir suas ametropias as lentes X e Y respectivamente.

a a a a

6. Uma lente convergente de pequena distância focal pode ser usada como lupa, ou lente de aumento, auxiliando, por exemplo, pessoas com deficiências visuais a lerem textos impressos em caracteres pequenos. Supondo que o objeto esteja à esquerda da lente, é correto afirmar que, para produzir uma imagem maior que o objeto, este deve ser:

2. Sobre as ametropias e as respectivas lentes de correção, podemos afirmar que: a) O paciente com miopia tem dificuldade de ―ver de perto‖ e a correção é feita com o uso de lentes divergentes de distância focal igual à distância do ponto próximo. b) O indivíduo com hipermetropia tem dificuldade de ―ver de longe‖ e a correção é feita com o uso de lentes convergentes de distância focal igual à distância do ponto remoto do hipermétrope. c) O olho com astigmatismo é aquele que para um ponto objeto conjuga mais de um ponto imagem desse objeto e a correção é feita com lentes convergentes ou divergentes de distância focal igual à distância do ponto próximo do astigmata. d) A presbiopia ou vista cansada é corrigida com lentes divergentes de aumento. e) A lente que corrige a miopia é divergente de distância focal igual à distância do ponto remoto do míope.

a) colocado sobre o foco e a imagem será real; b) posicionado entre a lente e o foco e a imagem será real; c) posicionado num ponto à esquerda muito afastado da lente e a imagem será virtual; d) posicionado num ponto à esquerda do foco, mas próximo deste, e a imagem será virtual; e) posicionado entre a lente e o foco e a imagem será virtual.

3. Um míope foi consultar um oftalmologista. Na investigação, o especialista encontrou o ponto remoto do paciente a uma distância de 50 cm, portanto, defeituoso. Nesse caso, o oftalmologista deve ter prescrito ao paciente uma lente corretiva com as seguintes características:

GABARITO 1–FVFVV 2–E 3–D 4–B 5–C 6–E

a) divergente, de distância focal - 5 cm e vergência - 1,0 dioptrias. b) divergente, de distância focal - 100 cm e vergência 0,2 dioptrias. c) convergente, de distância focal 50 cm e vergência 2,0 dioptrias. d) divergente, de distância focal - 50 cm e vergência - 2,0 dioptrias. e) convergente, de distância focal 5 cm e vergência 2,0 dioptrias.

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AULA 2 – MOVIMENTO HARMÔNICO SIMPLES - MHS

Energia mecânica:

E 

Movimento Harmônico Simples é o movimento retilíneo, periódico e oscilatório, simultaneamente.

k. A 2 2

V=0

Vmax

V=0

+amax

a=0

-amax

Ec = 0 Ep = Max +Fmax

Ec = Max

Ec = 0 Ep = Max

Ep = 0 F=0

-Fmax

CINEMÁTICA DO MHS Pulsação:



2 T

ou   2 . f

Elongação: x  A cos (0  .t)

Velocidade: v   . A sen (0  .t)

Aceleração: a   2 . A cos ( 0  .t)

a em função de x: a   2 .x

Eq. de Torricelli: v 2  2 ( A 2  x 2 )

DIAGRAMA DE ENRGIA DO MHS E

DINÂMICA DO MHS Força:

Energia Mecânica

F   k. x

k  m .2

Constante:

Período:

T  2

k

m k

m.g 

T  2

Energia Potencial

 g

Energia Cinética x -A

1 2

k m

Energia cinética:

Ec 

m.v 2 2

Energia potencial:

Ep 

k. x 2 2

Frequência:

f

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1 2

g 

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AULA 2 – MHS – EXERCÍCIOS DE SALA

AULA 2 – MHS – EXERCÍCIOS DE CASA

1.(UFPB – 2011) Para agilizar o preparo de massa de cimento, uma construtora adquire uma peneira automática do tipo vaivém, conforme figura abaixo.

3.(UFPB – 2010) Em uma experiência sobre movimento periódico, um estudante mede a posição de um bloco que se move unidimensionalmente em função do tempo, obtendo o gráfico da figura abaixo. Baseando-se nesse gráfico, identifique as afirmativas corretas:

O motor acoplado à peneira está programado para produzir um movimento de vaivém na peneira que simule um movimento harmônico simples. Suponha que a peneira foi instalada sobre um terreno plano e que as suas bases estão fixadas ao solo, de modo que toda a vibração na peneira seja exclusivamente produzida pelo motor. Dessa maneira, ao se ligar o motor, constata-se que o movimento de vaivém periódico impresso à peneira se repete a cada 2 s e que a amplitude do movimento é de 0,5 m. Com base nessas informações, identifique as afirmativas corretas:

I. O período do movimento do bloco é de 4 s. II. A amplitude da oscilação é de 20 cm. III. A maior distância, a partir da origem, que o bloco atinge é de 0,2 m. IV. A velocidade do bloco é sempre positiva. V. A freqüência de oscilação do bloco é de 0,5 Hz. 4. Dois estudantes de Física analisam o movimento do sistema massa-mola. Eles, então, constroem uma tabela relacionando os deslocamentos sofridos pela massa em função do tempo de movimento. A representação gráfica dessa tabela é mostrada na figura abaixo.

I. O período do movimento de vaivém é de 4 s. II. A frequência do movimento de vaivém é de 0,5 Hz. III. A frequência angular do movimento de vaivém é de 3 rad/s. IV. A velocidade máxima da peneira é de 1,5 m/s. V. A aceleração máxima da peneira é de 4,5 m/s2. 2.(UFPB – 2010) Um determinado tipo de sensor usado para medir forças, chamado de sensor piezoelétrico, é colocado em contato com a superfície de uma parede, onde se fixa uma mola. Dessa forma, pode-se medir a força exercida pela mola sobre a parede. Nesse contexto, um bloco, apoiado sobre uma superfície horizontal, é preso a outra extremidade de uma mola de constante elástica igual a 100 N/m, conforme ilustração abaixo. Nessa circunstância, fazendo-se com que esse bloco descreva um movimento harmônico simples, observa-se que a leitura do sensor é dada no gráfico a seguir. Com base nessas informações é correto afirmar que a velocidade máxima atingida pelo bloco, em m/s , é de:

Sabendo-se que a constante elástica da mola é de 20N/m e que a equação que relaciona o deslocamento com o tempo é dada por y=Acos(wt+π/3), é correto afirmar que a energia total do sistema massa-mola é dada por: -3

a) 4×10 J -3

b) 8×10 J

-3

c) 16×10 J -3

d) 32×10 J -3

e) 40×10 J

GABARITO 1 –F V V V V 2–A 3–FVVFV 4–C

a) 0,1 b) 0,2 c) 0,4 d) 0,8 e) 1,0

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AULA 3 – ONDAS

Ondas longitudinais: nessas ondas a direção de propagação se

Onda é uma perturbação que se propaga no espaço ou em qualquer

coincide com a direção de vibração. Nos líquidos e gases a onda se

outro meio, como, por exemplo, a água. Uma onda transfere energia

propaga dessa forma.

de um ponto para outro, mas nunca transfere matéria entre dois pontos. As ondas podem se classificar de acordo com a direção de propagação de energia, quanto à natureza das ondas e quanto à direção de propagação. Ondas mecânicas: são aquelas que necessitam de um meio material para se propagar como, por exemplo, onda em uma corda ou mesmo as ondas sonoras.

ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DAS ONDAS PERÍÓDICAS Ondas periódicas são ondas que se repetem em intervalos de tempos iguais, propagam-se com velocidade constante e são mantidas por movimentos harmônicos simples. crista

 Ondas eletromagnéticas: são aquelas que não necessitam de meio material para se propagar, elas podem se propagar tanto no

vácuo (ausência de matéria) como também em certos tipos de materiais. São exemplos de ondas eletromagnéticas: a luz solar, as ondas de rádio, as micro-ondas, raios X, entre muitas outras.



Vale

- Cristas ou picos são os pontos mais altos da onda - Vales ou depressões são os pontos mais baixos da onda - Comprimento de onda (  ) é a distância entre duas cristas ou dois vale consecutivos ou o comprimento de uma oscilação. - Período (T) é o tempo de uma oscilação. - Frequência (f) é o número de oscilações na unidade de tempo. - Amplitude é a distância entre o eixo da onda e uma crista ou um vale. EQUAÇÃO FUNDAMENTAL DAS ONDAS

v

Unidimensionais: propagam-se em uma única dimensão; Bidimensionais: propagam-se num plano;

s    v   v   v   .f 1 t T f

FÓRMULA DE TAYLOR

Tridimensionais: propagam-se em todas as direções.

V

F 



m 

Ondas transversais: são aquelas que têm a direção de propagação perpendicular à direção de vibração como, por exemplo, as ondas

FUNÇÃO DE ONDA HARMÔNICA

eletromagnéticas.

 t  x y  A . cos 2     0  T     

propagação

y  A . sen (k . x  . t) SECRETARIA DA EDUCAÇÃO

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AULA 3 – ONDAS – EXERCÍCIOS DE SALA

AULA 3 – ONDAS – EXERCÍCIOS DE CASA

1. (UFPB-2011) Sonares são dispositivos frequentemente usados na indústria naval. Os navios possuem sonares para detectar obstáculos no fundo do mar, detectar cardumes etc. Um determinado sonar de um navio produz ondas sonoras progressivas, com comprimento de onda de 2,0 m e frequência 200 Hz. Nesse caso, um obstáculo a 80 m do sonar será detectado pelo navio em um intervalo de tempo de:

4. Em um dado instante, a forma de uma corda por onde se

propaga uma onda é indicada na figura abaixo:

a) 0,4 s b) 1,0 s c) 1,2 s d) 1,6 s e) 2,0 s

2. (UFPB-2009) Em um laboratório de Física, um estudante pretende estudar o fenômeno de propagação de ondas, fazendo uso de uma corda. Uma das extremidades dessa corda foi fixada a uma parede, enquanto a outra extremidade está presa a um vibrador que produz, na corda, ondas com freqüências e velocidades desejadas (ver figura abaixo).

Com base nos dados obtidos da figura e sabendo-se que a velocidade de propagação da onda é de 120 cm/s, pode-se concluir que seu comprimento de onda e freqüência são dados, respectivamente, por: a) 6 cm e 40 Hz b) 3 cm e 40 Hz c) 9 cm e 10 Hz d) 6 cm e 20 Hz e ) 3 cm e 20 Hz

O estudante ajusta o vibrador para gerar ondas que se propagam com velocidade de 0,5m/s e freqüência angular w=4πrad/s. Nessas circunstâncias, adotando o Sistema Internacional de Unidades (S.I.), a função horária que melhor representa o movimento dessa onda é: a) y=Asen[4π (2x–t)] b) y=Asen[4π (x–2t)] c) y=Asen[4π (x–t)] d) y=Asen[4π (x–4t)] e) y=Asen[4π (4x–t)]

5. considere o texto: São ondas ___________________ aquelas em que a direção de propagação é perpendicular à direção de vibração enquanto que ondas _______________ são aquelas em que a direção de propagação coincide com a direção de vibração. O som é uma onda ________________ que não se propaga no vácuo, diferentemente da luz que é uma onda ___________________ que se propaga no vácuo.

3. Uma onda pode ser analisada a partir do seu comportamento espacial ou temporal. Os gráficos I e II abaixo representam uma onda que se propaga em uma corda. No gráfico I, vê-se a forma da corda em um determinado instante de tempo, e no gráfico II, vê-se o deslocamento de um ponto da corda em função do tempo.

As lacunas são preenchidas respectivamente por: a) transversais / longitudinais / longitudinal / transversal b) transversais / longitudinais / transversal / transversal c) longitudinais / transversais / transversal / transversal d) longitudinais / transversais / longitudinal / longitudinal e) transversais / longitudinais / transversal / longitudinal

Analisando-se estes gráficos, pode-se concluir que a velocidade de propagação da onda é a) 2 m/s b)15 m/s c) 5 m/s d) 20 m/s e) 10 m/s

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GABARITO 1–A 2–A 3–E 4–D 5–A

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AULA 4 – FENÔMENOS ONDULATÓRIOS REFLEXÃO A reflexão de uma onda ocorre após incidir num meio de características diferentes e retornar a se propagar no meio inicial. Qualquer que seja o tipo da onda considerada, o sentido de seu movimento é invertido porém o módulo de sua velocidade não se altera. Isto decorre do fato de que a onda continua a se propagar no mesmo meio.

REFRAÇÃO Denomina-se refração a passagem de uma onda de um meio para outro de características diferentes (densidade, textura, etc). Qualquer que seja o tipo de onda considerada, verifica-se que o sentido e velocidade de propagação não são mais os mesmos de antes da refração. Isto acontece pois o meio apresenta propriedades distintas da do meio antigo.

INTERFERÊNCIA Interferência representa a superposição de duas ou mais ondas num mesmo ponto. Esta superposição pode ter um caráter de aniquilação, quando as fases não são as mesmas (interferência destrutiva)

Ou pode ter um caráter de reforço quando as fases combinam (interferência construtiva).

DIFRAÇÃO É o encurvamento sofrido por uma onda quando esta encontra obstáculos à sua propagação. Esta propriedade das ondas foi de fundamental importância para provar que os raios de uma onda não são retilíneos.

RESSONÂNCIA A ressonância é considerada um fenômeno onde um sistema recebe energia periodicamente, em uma de suas freqüências naturais de vibração.

POLARIZAÇÃO A Polarização é um fenômeno que acontece somente com as ondas transversais. Consiste na seleção de um plano de vibração frente aos outros por um objeto, ou seja, se incidir ondas com todos os planos de vibração num certo objeto, este acaba deixando passar apenas aquelas perturbações que ocorrem num determinado plano.

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AULA 4 – EXERCÍCIOS DE SALA

AULA 4 – EXERCÍCIOS DE CASA

1. Dois pulsos, A e B, são produzidos em uma corda esticada, que tem uma extremidade fixada numa parede, conforme mostra a figura.

3. A fibra óptica é um filamento de vidro ou de material polimérico que tem capacidade de transmitir luz. Na atualidade, esse tipo de fibra é largamente utilizado em diversos ramos das telecomunicações, substituindo os conhecidos fios de cobre e melhorando as transmissões de dados na medicina e na engenharia civil, entre outras áreas. Em uma transmissão por fibra óptica, um feixe luminoso incide numa das extremidades da fibra e, devido às características ópticas desta, esse feixe chega à outra extremidade. A Figura 1, abaixo, representa a transmissão de luz através de uma fibra óptica, enquanto a Figura 2 mostra a secção transversal da mesma fibra, onde são indicados o núcleo, cujo índice de refração é nN,e o revestimento, de índice de refração nR.

Quando os dois pulsos se superpuserem, após o pulso A ter sofrido reflexão na parede, ocorrerá interferência.

A transmissão da luz dentro da fibra é possível graças a uma diferença de índices de refração entre o revestimento e o núcleo. Isso ocorre devido à

a) construtiva e, em seguida, os dois pulsos seguirão juntos no sentido do pulso de maior energia. b) construtiva e, em seguida, cada pulso seguirá seu caminho, mantendo suas características originais. c) destrutiva e, em seguida, os pulsos deixarão de existir, devido à absorção da energia durante a interação. d) destrutiva e, em seguida, os dois pulsos seguirão juntos no sentido do pulso de maior energia. e) destrutiva e, em seguida, cada pulso seguirá seu caminho, mantendo suas características originais.

a) refração múltipla, que só ocorre quando nN > nR . b) reflexão interna total, que só ocorre quando nN < nR . c) reflexão interna total, que só ocorre quando nN > nR . d) refração múltipla, que só ocorre quando nN < nR . 4. Um feixe de luz amarela monocromática penetra em uma piscina onde se encontra um mergulhador sob a água. Escolha a alternativa correta: a) O mergulhador verá a luz amarela, pois, apesar do comprimento de onda da luz na água não ser o mesmo que o ar, a freqüência da radiação varia. b) O mergulhador verá a luz amarela, pois, o comprimento de onda diminui, mas a freqüência continua inalterada. c) O mergulhador verá a luz azul, pois, o comprimento de onda e a freqüência diminuem. d) O mergulhador verá a luz amarela, pois, o comprimento de onda e a freqüência aumentam. e) O mergulhador verá a luz amarela, porque o comprimento de onda e a freqüência não se alteram ao mudar de meio de

2. A figura a seguir mostra uma onda transversal periódica, que se propaga com velocidade v1 = 8m/s em uma corda AB, cuja densidade linear é 1. Esta corda está ligada a uma outra BC, cuja densidade é 2 sendo que a velocidade de propagação da onda nesta segunda corda é v2 = 10m/s. O comprimento de onda quando se propaga na corda BC é igual a:

propagação.

5.Uma fonte emite onda sonora de freqüência 500 Hz, próximo à superfície de um lago, e sofre refração na água. Determinar o seu comprimento de onda no ar e na água, admitindo que as velocidades no ar e na água sejam, respectivamente, 330 m/s e 1 500 m/s. a) 0,26 m e 2,00 m b) 0,40 m e 4,00 m c) 0,33 m e 8,00 m d) 0,66 m e 3,00 m e) 0,62 m e 2,00 m a) 7m b) 6m c) 5m d) 4m e) 3m

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GABARITO 1–E 2–C 3–C 4–B 5–D

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AULA 5 – ACÚSTICA Limites de audibilidade A altura do som está ligada unicamente à sua freqüência; é a qualidade pela qual um som grave (som baixo --- freqüência baixa) se distingue de um som agudo (som alto --- freqüência alta).

O som é produzido por corpos que vibram, mas nem toda vibração é capaz gerar um som que vá excitar o nosso tímpano. Para que tenhamos a sensação auditiva é necessário que a onda sonora esteja numa uma faixa de freqüência bem definida. Para o ouvido humano, essa faixa de freqüência vai de 20 Hz a 20000 Hz. Fora desses limites, o ouvido humano não é capaz de perceber a onda como som. Abaixo de 20 Hz, as ondas são conhecidas como infrasons e acima de 20000 Hz elas são conhecidas como ultra-sons. Existem diversos animais que são capazes de perceber sons acima de 20000 Hz. Os cães, por exemplo, conseguem captar freqüências de 50000 Hz. Temos também como exemplo os morcegos e os golfinhos. O eco Como é uma onda, o som está sujeito aos fenômenos ondulatórios como interferência, refração e reflexão. A reflexão sonora é percebida através de um fenômeno muito curioso conhecido como eco. Para entendê-lo, imagine uma pessoa em um salão amplo que bate palmas uma única vez. Dependendo do tamanho do salão, depois de um curto intervalo de tempo, essa pessoa será capaz de ouvir esse som de palmas novamente. Isso ocorre porque o som, ao se propagar, acaba encontrando um obstáculo. Ao incidir nesse obstáculo, o som sofre uma reflexão e volta para a fonte, que nesse caso é a pessoa que bateu palmas. É verdade que na maioria das vezes o eco não é percebido. Isso acontece por um motivo curioso. Para que o ouvido perceba os dois sons (o incidente e o refletido) de maneira distinta, é necessário que eles estejam separados por um intervalo de tempo de pelo menos um décimo de segundo. Por isso que foi mencionado que a sala deveria ser ampla. Com esse intervalo de tempo e considerando que o som se propaga com velocidade de 340 m/s, a distância mínima existente na sala para se perceber o eco deverá ser de 17 m.

É fácil perceber que essa característica do som depende tão somente da freqüência; sabe-se, por exemplo, que encurtando-se uma lamina elástica (gilete presa no bordo da mesa), aumenta-se a freqüência de suas vibrações e, correlativamente, constata-se que o som emitido se torna mais e mais agudo.

O timbre depende dos harmônicos associados ao som fundamental no caso dos sons musicais ou das ondas que se superpõem, no caso dos sons compostos em geral. No caso dos sons musicais, é a qualidade que permite distinguir dois sons de mesma altura emitidos por fontes sonoras diferentes; uma flauta e um violino

Qualidades Fisiológicas do Som Os sons simples distinguem-se uns dos outros por duas características, a saber, INTENSIDADE e ALTURA; os sons compostos, além daquelas, diferenciam-se pelo TIMBRE.

Efeito Doppler A intensidade fisiológica do som esta ligada à amplitude das vibrações (e, portanto à energia transportada pela onda sonora); é a qualidade pela qual um som forte (grande amplitude — muita energia) se distingue de um som fraco (pequena amplitude — pouca energia).

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O efeito Doppler é a alteração da frequência sonora percebida pelo observador em virtude do movimento relativo de aproximação ou afastamento entre a fonte e o observador. Um exemplo típico do efeito Doppler é o caso de uma ambulância com a sirene ligada quando ela se aproxima ou se afasta de um observador. Quando ela se aproxima do observador o som é mais agudo e quando ele se afasta o som é mais grave.

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AULA 5 – EXERCÍCIOS DE SALA

AULA 5 – EXERCÍCIOS DE CASA

1.(UFPB – 2011) Uma ambulância, enquanto resgata um enfermo, deixa a sirene ligada, a qual emite um sinal sonoro com frequência de 500 Hz. Um carro se aproxima da ambulância com uma velocidade de 85 m/s. Nesse contexto, o condutor do carro irá escutar o som da sirene com uma frequência de:

5. Uma fonte sonora oscila horizontal e harmonicamente com freqüência angular de 10,0 rad/s e amplitude 0,300 m diante de um observador afastado, em repouso, na mesma horizontal, num lugar onde a velocidade do som é 303 m/s. Se a freqüência do som emitido for igual a 6,00 kHz, a maior freqüência sonora recebida por esse observador será, em kHz,

a) 570 Hz b) 625 Hz c) 710 Hz d) 735 Hz e) 792 Hz

a) 7,60 b) 6,36 c))6,06 d) 6,00 e) 5,90

2.(UFPB-2010) Em um trecho reto de determinada estrada, um fusca move-se do ponto A para o ponto B com velocidade de 20 m/s. Dois outros carros estão passando pelos pontos A e B, com velocidade de 20 m/s, porém com sentido contrário ao do fusca, conforme ilustrado na figura abaixo.

6. Um maestro divertia-se com o seu filho no carrossel de um parque de diversões enquanto o alto-falante do parque tocava uma música. Tendo o ouvido muito sensível a variações de freqüências, o maestro percebeu que, enquanto o carrossel girava, os sons emitidos pelo alto-falante se tornavam mais graves ou mais agudos, dependendo da posição do carrossel. A figura a seguir representa o alto-falante do parque e o carrossel girando nas suas proximidades. Nela, são indicados os pontos I, II, III e IV; em dois desses pontos, o maestro percebeu mudanças na freqüência do som emitido.

Nesse momento, o motorista do fusca começa buzinar e o som emitido pela buzina tem frequência f. Denominando as frequências ouvidas pelos motoristas dos carros que passam pelos pontos A e B de f A e fB , respectivamente, é correto afirmar que a) f A = fB > f b) f A = fB < f c) f A > fB > f d) f A < f < fB e) f A = fB = f

O maestro percebeu que o som era mais grave e mais agudo, respectivamente, nos pontos

3. (UFPB-2008)A sirene de uma fábrica emite um som de freqüência f. Nesse momento, dois funcionários encontram-se nas seguintes situações. O funcionário A, que está de saída da fábrica, move-se, afastando-se, com uma velocidade v. O funcionário B, que está chegando para o seu turno de trabalho, também se move, aproximando-se, com velocidade v. Sendo f A e fB, respectivamente, as freqüências que os funcionários escutam, é correto afirmar:

a) II e IV. b) II e III. c) I e IV. d) I e III. 7. Um veículo A está ultrapassando outro B em uma estrada retilínea e horizontal. Os dois veículos estão com suas buzinas acionadas emitindo sons de mesma intensidade e frequência. Podemos afirmar que

a) fB < f A <f b) f A < f< fB c) f A < fB <f d) fB < f < f A e) f< f A < fB

I – A frequência do som, ouvido pelo condutor de um dos veículos, é igual a frequência do som emitido pelo outro veículo. II – A frequência do som ouvido por B é menor do que a frequência emitida por A. III – Uma pessoa parada no centro da pista ouve o som emitido pelas buzinas de cada veículo com freqüências iguais. IV – O comprimento de onda do som ouvido por A é maior do que pó comprimento de onda do som emitido por B. V – Um observador parado na estrada ouve a frequência da buzina de A menor do que a de B.

4. (UFPB-2007) Uma das cordas de uma harpa tem comprimento igual a 50cm. O maior comprimento de onda estacionária que um músico pode estabelecer nessa corda, em cm, é: a) 12,5 b) 25 c) 50 d) 100 e) 200

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GABARITO 1–B 2–D 3–B 4–D 5–C 6–A 7–VVFVV

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AULA 6– TERMOMETRIA E DILATAÇÃO

Para transformar variações de temperatura (aumentos ou diminuições) entre essas escalas usa-se a expressão:

CONCEITOS BÁSICOS DE TERMOLOGIA DILATAÇÃO TÉRMICA DOS SÓLIDOS TEMPERATURA é a medida no nível de agitação das moléculas de um sistema. ENERGIA TÉRMICA é a energia associada a agitação molecular. EQUILÍBRIO TÉRMICO é o estado térmico para o qual tendem sistemas misturados a temperaturas diferentes, que ao ser atingido os sistemas adquiram a mesma temperatura. CALOR é a energia térmica que se transfere entre corpos à temperaturas distintas até que seja alcançado o equilíbrio térmico. ESCALAS TERMOMÉTRICAS

     1 2 3

Para que seja possível medir a temperatura de um corpo, foi desenvolvido um aparelho chamado termômetro.

 - coeficiente de dilatação linear.  - coeficiente de dilatação superficial.

O termômetro mais comum é o de mercúrio, que consiste em um vidro graduado com um bulbo de paredes finas que é ligado a um tubo muito fino, chamado tubo capilar.

 - coeficiente de dilatação volumétrica.

Quando a temperatura do termômetro aumenta, as moléculas de mercúrio aumentam sua agitação fazendo com que este se dilate, preenchendo o tubo capilar. Para cada altura atingida pelo mercúrio está associada uma temperatura.

DILATAÇÃO TÉRMICA DOS LÍQUIDOS

A escala de cada termômetro corresponde a este valor de altura atingida. ESCALA CELSIUS dilatação aparente

É a escala usada no Brasil e na maior parte dos países, oficializada em 1742 pelo astrônomo e físico sueco Anders Celsius (1701-1744). Esta escala tem como pontos de referência a temperatura de congelamento da água sob pressão normal (0°C) e a temperatura de ebulição da água sob pressão normal (100°C).

t t Oo O

ESCALA FAHRENHEIT

Vliq  Vap  Vrec

Outra escala bastante utilizada, principalmente nos países de língua inglesa, criada em 1708 pelo físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), tendo como referência a temperatura de uma mistura de gelo e cloreto de amônia (0°F) e a temperatura do corpo humano (100°F).

 liq   ap



COMPORTAMENTO ANÔMALO DA ÁGUA

ESCALA KELVIN Também conhecida como escala absoluta, foi verificada pelo físico inglês William Thompson (1824-1907), também conhecido como Lorde Kelvin. Esta escala tem como referência a temperatura do menor estado de agitação de qualquer molécula (0K) e é calculada a partir da escala Celsius. Por convenção, não se usa "grau" para esta escala, ou seja 0K, lê-se zero kelvin e não zero grau kelvin.

Para converter temperaturas entre essas escalas usa-se a expressão:

t C t F  32 t K  273   5 9 5 SECRETARIA DA EDUCAÇÃO

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 rec

AULA 6 – EXERCÍCIOS DE SALA

AULA 6 – EXERCÍCIOS DE CASA

1. (UFPB-2010)Durante uma temporada de férias na casa de praia, em certa noite, o filho caçula começa a apresentar um quadro febril preocupante. A mãe, para saber, com exatidão, a temperatura dele, usa um velho termômetro de mercúrio, que não mais apresenta com nitidez os números referentes à escala de temperatura em graus Celsius. Para resolver esse problema e aferir com precisão a temperatura do filho, a mãe decide graduar novamente a escala do termômetro usando como pontos fixos as temperaturas do gelo e do vapor da água. Os valores que ela obtém são: 5 cm para o gelo e 25 cm para o vapor. Com essas aferições em mãos, a mãe coloca o termômetro no filho e observa que a coluna de mercúrio para de crescer quando atinge a marca de 13 cm. Com base nesse dado, a mãe conclui que a temperatura do filho é de:

5. A figura abaixo mostra dois frascos de vidro (1 e 2), vazios, ambos com tampas de um mesmo material indeformável, que é diferente do vidro. As duas tampas estão plenamente ajustadas aos frascos, uma internamente e outra externamente. No que respeita à dilatação desses materiais, e considerando  v que é o coeficiente de expansão dos dois vidros e que

t

é o coeficiente de expansão

das duas tampas, assinale o que for correto.

a) 40,0 ºC b) 39,5 ºC c) 39,0 ºC d) 38,5 ºC e) 38,0 ºC I - Sendo

2.(UFPB-2007)Em uma conferência pela internet, um meteorologista brasileiro conversa com três outros colegas em diferentes locais do planeta. Na conversa, cada um relata a temperatura em seus respectivos locais. Dessa forma, o brasileiro fica sabendo que, naquele momento, a temperatura em Nova Iorque é TNI=33,8 oF, em Londres, TL=269 oK, e em Sidnei, TS=27 oC. Comparando essas temperaturas, verifica-se:

 t menor que  v , se elevarmos a temperatura dos dois

conjuntos, o vidro 1 se romperá. II - Sendo  t maior que  v , se elevarmos a temperatura dos dois conjuntos, o vidro 2 se romperá. III - Sendo  t menor que  v , se elevarmos a temperatura dos dois conjuntos, ambos se romperão. IV - Sendo  t maior que  v , se diminuirmos a temperatura dos

a) TNI >TS >TL b) TNI >TL >TS c) T L>TS >TNI d) TS >TN I>TL e) TS >TL >TNI

dois conjuntos, o vidro 1 se romperá. V - Qualquer que seja a variação a que submetermos os dois conjuntos, nada ocorrerá com os frascos e com as tampas. 6. Uma fenda de largura 2,002 cm precisa ser perfeitamente vedada por uma pequena barra quando a temperatura no local atingir 130 o C. A barra possui comprimento de 2 cm à temperatura de 30 oC, como ilustra a figura (os comprimentos mostrados não estão em escala). Considerando desprezível a alteração na largura da fenda com a temperatura, a barra apropriada para este fim deve ser feita de:

3. (UFPB-2007)Os materiais utilizados na construção civil são escolhidos por sua resistência a tensões, durabilidade e propriedades térmicas como a dilatação, entre outras. Rebites de metal (pinos de formato cilíndrico), de coeficiente de dilatação linear 9,8×10–6 oC–1, devem ser colocados em furos circulares de uma chapa de outro metal, de coeficiente de dilatação linear 2,0×10–5 oC– 1 . Considere que, à temperatura ambiente (27oC), a área transversal de cada rebite é 1,00cm2 e a de cada furo, 0,99cm2. A colocação dos rebites, na chapa metálica, somente será possível se ambos forem aquecidos até, no mínimo, a temperatura comum de: a) 327oC b) 427oC c) 527oC d) 627oC e) 727oC

a) chumbo, com coeficiente de dilatação linear  = 3× 10−5 oC−1. b) latão, com coeficiente de dilatação linear  = 2 ×10−5 oC−1. c) aço, com coeficiente de dilatação linear  = 10−5 oC−1. d) vidro pirex, com coeficiente de dilatação linear  = 3 × 10−6 oC−1. e) invar, com coeficiente de dilatação linear  = 7 ×10−7 oC−1.

4. (UFPB-2005) Cada uma das barras de aço (chamadas trilhos), que compõe uma estrada de ferro, tem comprimento de 20m quando a temperatura é de 30 oC. Esses trilhos são fixados sobre dormentes, mantendo-se um espaçamento de 10 mm entre trilhos consecutivos. Sendo o coeficiente de dilatação linear dos trilhos 1,0 10-5 oC-1, qual a maior temperatura a que eles podem ser submetidos sem risco de deformação?

GABARITO 1–A 2–D 3–C 4–D 5–VVFVF 6–C

a) 50 oC b) 60 oC c) 70 oC d) 80 oC e) 90 oC

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DIAGRAMA DE FASE (H2O) AULA 7– CALORIMETRIA CALOR SENSÍVEL é aquele que provoca apenas variação de temperatura, sem mudança de fase.

Q  m . c . t Onde m é a massa, c o calor específico e Δt a variação de temperatura. CALOR LATENTE é aquele que provoca mudança de fase temperatura constante.

Q  m.L EXPERIÊNCIA DE TYNDALL (REGELO)

Onde m é a massa que muda de fase e L o latente da mudança de fase. MUDANÇAS DE FASE

CONDUÇÃO TÉRMICA Processo de propagação do calor de molécula a molécula, sem deslocamento de matéria, predominante nos sólidos metálicos. LEI DA CONDUÇÃO TÉRMICA - FOURIER

Calor específico sensível da H2O: cs = 0,5 cal/g oC ; cL = 1,0 cal/g oC ; cG = 0,4 cal/g oC Calor específico Latente da H2O: LFS = ±80 cal/g ; LVC = ± 540 cal/g

 K

A . t e

CONVECÇÃO TÉRMICA Processo de propagação do calor que ocorre nos fluidos, com deslocamento de matéria causado pela variação da densidade com a temperatura. IRRADIAÇÃO TÉRMICA Processo de propagação do calor que ocorre através de ondas eletromagnéticas que dispensam meios materiais.

PRINCÍPIO DAS TROCAS DE CALOR Em sistemas termicamente isolados é nula a soma dos calores trocados.

 Q cedido   Q recebido  0

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AULA 7 – EXERCÍCIOS DE SALA

AULA 7 – EXERCÍCIOS DE CASA

1.(UFPB-2011)Em uma fábrica, utiliza-se uma barra de alumínio de 80 cm2 de seção reta e 20 cm de comprimento, para manter constante a temperatura de uma máquina em operação. Uma das extremidades da barra é colocada em contato com a máquina que opera à temperatura constante de 400 oC, enquanto a outra extremidade está em contato com uma barra de gelo na sua temperatura de fusão. Sabendo que o calor latente de fusão do gelo é de 80 cal/g, que o coeficiente de condutibilidade térmica do alumínio é de 0,5 cal/s.cm.oC e desprezando as trocas de calor do sistema máquina-gelo com o meio ambiente, é correto afirmar que o tempo necessário para derreter 500 g de gelo é

5. Uma pessoa utiliza-se de um aquecedor elétrico de imersão, de potência constante e igual a 0,84 kW para aquecer 2000 cm3 de água numa panela metálica de 500 g de massa, até atingir o ponto de ebulição, sob pressão normal. Sabe-se que a temperatura inicial do conjunto (panela + água) está a 20ºC e que a panela e a água estão sempre em equilíbrio térmico entre si. Considerando que cmetal = 0,20 cal/gºC, dágua=1g/cm3, c água= 1,0 cal/gºC, 1 caloria = 4,2 joules e admitindo que apenas o referido conjunto recebeu calor do aquecedor, o tempo mínimo necessário para se atingir o objetivo, em minutos, é:

a) 10 s b) 20 s c) 30 s d) 40 s e) 50 s

a) 24 b) 1,4 c) 14 d) 12 e) 3,0

2.(UFPB2010) Uma maneira bastante prática e rápida de aquecer água é através de um aquecedor elétrico de nome popular ―mergulhão‖. Uma dona de casa costuma usar um mergulhão que fornece 25 kcal de energia por minuto, para aquecer água. Desprezando o calor absorvido pelo recipiente que contém a água e o calor perdido para a atmosfera, identifique as afirmativas corretas:

6. Um esquiador de massa 60 kg desloca-se na neve. O coeficiente de atrito entre os esquis e a neve é de 0,2, e o calor o latente de fusão do gelo é de 3.105 J/kg. Considere que toda a neve embaixo de seus esquis esteja a 0 °C e toda energia interna gerada pelo atrito seja adicionada à neve que adere aos esquis até derreter. A distância, em quilômetros, que ele deve percorrer para derreter 1 kg de neve vale

I. O mergulhão gasta 3 minutos para elevar, de 25 ºC até 100 ºC, a temperatura de um litro de água. II. O mergulhão gasta 3 minutos para elevar, de 25 ºC até 50 ºC, a temperatura de três litros de água.

a) 3,0 b) 1,2 c) 1,5 d) 2,0 e) 2,5

III. O mergulhão gasta 6 minutos para elevar, de 25 ºC até 100 ºC, a temperatura de um litro de uma determinada substância líquida, cujo calor específico é igual à metade do calor específico da água, porém de igual densidade. IV. O mergulhão gasta meio minuto para elevar, de 20 ºC até 45 ºC, a temperatura de um litro de água.

7. Com o objetivo de manter bebidas frias, é utilizada uma caixa de isopor, com área total (incluindo a tampa) de 0,80 m 2 e espessura da parede de 2 cm. Ela está cheia de gelo e latas de refrigerante, inicialmente a uma temperatura de 0 °C. Se a temperatura da parede externa for mantida a 30 °C, a quantidade de gelo que se liquefaz durante um dia vale em kg Dados: k = 0,01 W/m. °C (condutividade térmica do isopor) Lf = 3,2 . 105 J/ kg (calor de fusão do gelo)

V. O mergulhão leva um minuto para elevar em 50 ºC a temperatura de uma determinada substância de capacidade térmica 5x10-1 kcal/ºC. 3.(UFPB-2007)Um engenheiro testa materiais para serem usados na fabricação da carroceria de um automóvel. Entre outras propriedades, é desejável a utilização de materiais com alto calor específico. Ele verifica que, para aumentar em 3 ºC a temperatura de 32g do material A, é necessário fornecer 24cal de calor a esse material. Para obter o mesmo aumento de temperatura em 40g do material B, é preciso 24cal. Já 50g do material C necessitam 15cal para sofrer o mesmo acréscimo de temperatura. Os calores específicos dos materiais A, B e C são respectivamente:

a) 3,24 b) 2,43 c) 8,00 d) 6,48 e) 4,46

a) cA=0 ,25cal/g ºC ; cB=0 ,20cal/g ºC ; cC=0 ,10cal/g ºC b) cA=0 ,20cal/g ºC ; cB=0 ,35cal/g ºC ; cC=0 ,15cal/g ºC c) cA=0 ,30cal/gCº ; c B=0 ,10cal/g ºC ;cC=0 ,20cal/g ºC d) cA=0 ,35cal/g ºC ; cB=0 ,20cal/g ºC ; cC=0 ,10cal/g ºC e) cA=0 ,10cal/g ºC ; cB=0 ,30cal/g ºC ; cC=0 ,25cal/g ºC 4. (UFPB-2008) As faces de uma chapa de alumínio de 0,5cm de espessura são mantidas, durante 20 segundos, às temperaturas de 20oC e 100oC, respectivamente. Se o coeficiente de condutibilidade térmica do alumínio é 0,5 cal/(cm.s.oC), quantas calorias são transmitidas, através de 1cm2 da chapa, no intervalo de tempo referido acima?

GABARITO 1- E 2- V V F F V 3- A 4- A 5- C 6- E 7- A

a) 1600 c) 1200 e) 800 b) 1400 d) 1000

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AULA 8 – TERMODINÂMICA TRANSFORMAÇÃO GASOSA ISOCÓRICA A TERMODINÂMICA estuda as relações entre o calor, o trabalho e a energia interna de gases perfeitos. LEI GERAL DOS GASES PERFEITOS:

EQUAÇÃO DE CLAPEYRON:

p1 .V1 p 2 .V2  T1 T2

p.V  n.R.T

TRANSFORMAÇÃO GASOSA ISOTÉRMICA

TRABALHO DE UM GÁS NA TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA

  p . V ENERGIA INTERNA:

3 U  n. R .T 2

LEI DE JOULE A energia interna de um gás ideal é função exclusiva de sua temperatura absoluta. TRANSFORMAÇÃO GASOSA ISOBÁRICA 1ª LEI DA TERMODINÂMICA:

Q    U

 RENDIMENTO  ;DA MÁQUINA  Q1  TÉRMICA Q2 ; Q1 



Q1  Q 2 Q1

Q1 Q 2 Q    1 2 Q1 Q1 Q1

T Q 2 T2 RENDIMENTO   1MÁXIMO  2 - CICLO DE CARNOT Q1 T1 T1 AULA 8 – EXERCÍCIOS DE SALA

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1. (UFPB-2009)Ao chegar a um posto de gasolina, um motorista vai ao calibrador e infla os pneus do seu carro, colocando uma pressão 5

4. (UFPB-2010)Certa quantidade de gás ideal monoatômico é levada do estado A para o estado C através de uma transformação isotérmica AB, seguida de uma transformação isobárica BC, como indicado no gráfico. No processo completo ABC, o gás recebe 2 J de calor do meio ambiente. Sabemos, também, que a variação da energia interna no processo BC é de 0,6 J.

de 30bars (considere 1 bar igual a 10 N/m ). Nesse momento, o 0

motorista verifica que a temperatura dos pneus é de 27 C. Depois de dirigir por algum tempo, a temperatura dos pneus sobe para 0

81 C. Desprezando-se o pequeno aumento no volume dos pneus e tratando o ar no seu interior como um gás ideal, é correto afirmar que, em bar, a pressão nos pneus passará a ser: a) 35,4 b) 90,0 c) 45,5 d) 70,0 e) 54,5

2. (UFPB-2011) Uma máquina térmica opera usando um gás ideal monoatômiico, de acordo com o ciclo representado na figura abaixo.

Com relação às transformações realizadas nesse processo, identifique as afirmativas corretas: I. A variação da energia interna no processo AB é nula. II. O trabalho realizado pelo gás no processo BC é de 0,4 J. III. O trabalho realizado pelo gás no processo AB é de 1,0 J. IV. A variação da energia interna no processo ABC é de 0,8 J. V. O calor absorvido no processo BC é de 1 J. 5.(UFPB-2008) Os gráficos A, B e C representam três dos processos adiabáticos que uma amostra de gás pode sofrer. Sabendo que a temperatura de operação da máquina no ponto B é de 500 K, identifique as afirmativas corretas: I. O trabalho realizado pela máquina térmica em um ciclo é de 4 x 105 J. II. A eficiência dessa máquina é igual à eficiência de uma máquina operando segundo o ciclo de Carnot. III. A menor temperatura atingida durante o ciclo de operação da máquina é de 100 K. IV. Para uma máquina térmica ideal que trabalhe entre as temperaturas de operação do ciclo representado na figura, a maior eficiência possível é de 0,7. V. A variação de energia interna em um ciclo completo é nula. Com relação à variação da energia interna desse gás (ΔU), é correto afirmar: 3. Uma máquina térmica ideal realiza um trabalho de 750 J por ciclo (de Carnot), quando as temperaturas das fontes são 400K e 100K. Nesse sentido, para que uma máquina térmica real apresente a mesma eficiência e realize, por ciclo, o mesmo trabalho que a máquina ideal, o calor recebido e o calor rejeitado são respectivamente:

a) ΔUB < ΔUC < ΔU A b) ΔUB < ΔU A < ΔUC c) ΔUA < ΔUC < ΔUB d) ΔUA < ΔUB < ΔUC e) ΔUC < ΔUB < ΔU A

a) 1000 J e 250 J b) 750 J e 500 J c) 1250 J e 50 J d) 850 J e 150 J e) 950 J e 350 J

GABARITO 1–A 2–VFFVV 3–A 4–VVVFV 5–C

AULA 8 – EXERCÍCIOS DE CASA

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