Instituto de F´ısica da Universidade de S˜ao Paulo
F´ısica II - 4300112
4aLista de exerc´ıcios - Temperatura e Calor - 2013
1. Uma caixa de isopor, com superf´ıcie total A=1m2
(incluindo a tampa) e paredes com espessura e= 2 cm,
cont´em gelo e latas de cerveja em seu interior. A caixa de
isopor pertence a um grupo de estudantes de f´ısica pas-
sando f´erias no Rio de Janeiro, na praia de Copacabana,
sob um calor de 40◦C. Sendo a condutividade t´ermica
do isopor k= 2 ×10−3cal/s.m.K, determine a massa de
gelo dentro da caixa de isopor que derrete a cada 1 hora.
R: 180 g.
2. Quando estava pintando o topo de uma antena a uma
altura de 225 m, um trabalhador deixa cair acidental-
mente uma garrafa com 1,00 lde ´agua da sua mochila.
A garrafa ´e amortecida por arbustos e atinge o solo sem
se quebrar. Supondo que a ´agua absorva uma quanti-
dade de calor igual ao m´odulo da varia¸c˜ao da energia
potencial, qual ´e o aumento de temperatura da ´agua?
R: 0,526◦C.
3. Um t´ecnico de laborat´orio coloca em um calor´ımetro
uma amostra com 85 g de um material desconhecido, a
uma temperatura de 100◦C. O recipiente do calor´ımetro,
inicialmente a 19◦C, ´e feito com 0,150 kg de cobre
e cont´em 0,200 kg de ´agua. A temperatura final do
calor´ımetro ´e igual a 26,1◦C. Calcule o calor espec´ıfico
da amostra. (Dados: calor espec´ıfico do cobre: 0,094
cal/g.◦C)
R: 0,24 cal/g.◦C.
4. Uma nave espacial feita de alum´ınio descreve uma tra-
jet´oria circular em torno da Terra com uma velocidade
de 7700 m/s.
(a) Determine a raz˜ao entre sua energia cin´etica e a en-
ergia necess´aria para elevar sua temperatura de 0◦C
at´e 600◦C. (O ponto de fus˜ao do alum´ınio ´e igual a
660◦C. Suponha que o calor espec´ıfico seja constante
e igual a 910 J/kg.K)
(b) Com base na sua resposta, discuta o que ocorre
quando uma nave espacial tripulada reentra na at-
mosfera terrestre.
R: (a) 54,29.
5. (Moys´es) Uma chaleira de alum´ınio contendo ´agua
em ebuli¸c˜ao, a 100◦C, est´a sobre uma chama. O raio do
fundo da chaleira ´e de 7,5 cm e sua espessura ´e de 2 mm.
A condutividade t´ermica do alum´ınio ´e 0,49 cal/s.cm.◦C.
A chaleira vaporiza 1 lde ´agua em 5 min. O calor de
vaporiza¸c˜ao da ´agua a 100◦C ´e de 540 cal/g. A que tem-
peratura est´a o fundo da chaleira? Despreze as perdas
pelas superf´ıcies laterais.
R: (a) 104,2◦C.
6. (Moys´es) Num pa´ıs frio, a temperatura sobre a su-
perf´ıcie de um lago caiu a −10◦C e come¸ca a formar-se
uma camada de gelo sobre o lago. A ´agua sob o gelo
permanece a 0◦C: o gelo flutua sobre ela e a camada de
espessura crescente em forma¸c˜ao serve como isolante t´er-
mico, levando ao crescimento gradual de novas camadas
de cima para baixo.
(a) Exprima a espessura lda camada de gelo formada,
decorrido um tempo tdo in´ıcio do processo de con-
gelamento, como fun¸c˜ao da condutividade t´ermica k
do gelo, da sua densidade ρe calor latente de fus˜ao
L, bem como da diferen¸ca de temperatura ∆Tentre
a ´agua e a atmosfera acima do lago.
Sugest˜ao: Considere a agrega¸c˜ao de uma camada de
espessura dx `a camada j´a existente, de espessura x,
e integre em rela¸c˜ao a x.
(b) No exemplo acima, calcule a espessura da camada
de gelo 1 h ap´os iniciar-se o congelamento, sabendo
que k= 4 ×10−3cal/s.cm.◦C, ρ= 0,92 g/cm3e
L= 80 cal/g.
R: (a) l=q2k(∆T)t
ρL , (b) 1,98 cm.
7. A figura representa um sistema consistindo de uma
esteira rolante, impulsionada por um motor alimentado
por uma bateria, e uma barra de metal, cuja face infe-
rior ´e aquecida por atrito em contato com a esteira, e
a face superior ´e resfriada em contato com certa quan-
tidade de ´agua (algumas dezenas de litros). A barra ´e
envolta lateralmente por paredes adiab´aticas que servem
tamb´em para conter a ´agua. O sistema est´a imerso na
atmosfera, `a press˜ao pr´oxima de 1 atm (≈105Pa). Es-
tando o motor ligado por um tempo suficiente, o sistema
atinge uma situa¸c˜ao aproximadamente estacion´aria em
que a ´agua permanece em ebuli¸c˜ao (enquanto ainda h´a
´agua em estado l´ıquido). Sabendo-se que 1 cal ≈4,2 J,
e nas condi¸c˜oes acima, pergunta-se:
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