Calor e mudança de fase – problemas e soluções

Calor e mudança de fase – problemas e soluções

1. Com base no gráfico, qual é o calor absorvido por 5 kg de água durante o processo de destilação catalítica? Calor específico da água = 4,200 J/kg ^° C.

Conhecido :

Massa (m) = 5 kg

Calor específico da água (c) = 4200 J/kg ^° C

Temperatura inicial (T ₁ ) = 0 ^° C

Temperatura final (T ₂ ) = 10 ^° C

A variação de temperatura (ΔT) = 10 ^° C – 0 ^° C = 10 ^° C

Procura-se: Calor (Q)

solução:

Q = mc ΔT = (5 kg)(4200 J/kg ^° C)(10 ^° C) = (5)(4200 J)(10) = (50)(4200 J) = 210,000 Joules

2. Qual é o calor absorvido por 20 gramas de gelo durante o processo de ar condicionado, se o calor específico do gelo é 2100 J/kg ^° C e o calor de fusão do gelo é 336,000 J/kg?

Conhecido :

Massa de gelo (m) = 200 gramas = 200/1000 quilogramas = 0.2 quilogramas

Calor específico (c) = 2100 J/kg ^° C

Calor de fusão do gelo (L _F ) = 336,000 J/kg

Procura-se: Calor absorvido pelo gelo durante o processo de ar condicionado

solução:

Durante o processo AB, o gelo absorve calor, alterando sua temperatura de -10 ^° C para 0 ^° C.

Q = mc ΔT

Q = calor, m = massa do gelo, c = calor específico do gelo, ΔT = variação de temperatura

Q ₁ = mc ΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = (0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 Joules

Durante o processo de fusão do gelo, o calor é absorvido para derreter todo o gelo em água. Nesse processo, ocorre apenas uma mudança de fase, sem alteração de temperatura. A temperatura do gelo e da água permanece a 0 ^° C.

Calor absorvido durante o processo BC:

Q ₂ = m L _F = (0.2 kg)(336,000 J/kg) = 67,200 Joules

Calor absorvido durante o processo de ar condicionado:

Q = Q ₁ + Q ₂ = 4200 Joules + 67,200 Joules = 71,400 Joules

3. Uma massa de 2 kg de água é aquecida. O calor de vaporização da água é igual a 2.27 x 10⁶ ^J /kg, o calor específico da água é igual a 4,200 J/kg ^° C e a pressão atmosférica é de 1 atm. Qual é o calor absorvido pela água durante o processo BC?

Conhecido :

Massa (m) = 2 kg

Calor de vaporização da água (L _V ) = 2.27 x 10 ⁶ J/kg

Calor específico da água (c) = 4,200 J/kg ^° C

Procura-se: Calor absorvido durante o processo BC.

solução:

No processo AB, o calor é absorvido para aumentar a temperatura da água de 60 ^° C para 100 ^° C.

Q = m L _V = (2 kg)(2.27 x 10 ⁶ J/kg) = 4.54 x 10 ⁶ Joules = 4540 x 10 ³ Joules = 4540 quilo Joules

4. Com base na figura abaixo, se a massa de gelo for 500 gramas, o calor específico for 2100 J/kg ^° C e o calor latente de fusão do gelo for 336,000 J/kg, determine o calor necessário no processo P–Q–R.

Conhecido :

Massa de gelo (m) = 500 gramas = 500/1000 kg = 0.5 kg

Calor específico do gelo (c) = 2100 J/kg ^° C

Calor latente de fusão (L _F ) = 336,000 J/kg

Procura-se: Calor

solução:

Processo PQ = calor absorvido para elevar a temperatura do gelo de -4 ^° C para 0 ^° C

Processo QR = calor absorvido pelo gelo para derreter todo o gelo em água

Calor absorvido durante o processo PQ calculado usando a equação:

Q = mc ΔT

Q = calor, m = massa, c = calor específico do gelo, ΔT = variação de temperatura

O calor absorvido pelo gelo durante o processo PQ foi calculado usando esta equação:

Q = (0.5 kg)(2100 J/kg ^o C)(0 ^o C-(-4 ^o C))

Q = (0.5 kg)(2100 J/kg ^o C)(0 ^o C + 4 ^o C)

Q = (0.5 kg)(2100 J/kg ^o C)(4 ^o C)

Q = (0.5)(2100 J)(4)

Q = 4200 Joules

O calor absorvido durante o processo QR foi calculado usando esta equação:

Q = m L _F

Q = (0.5 kg)(336,000 J/kg)

Q = (0.5)(336,000 J)

Q = 168,000 Joules

Calor total:

Q = 4200 Joules + 168,000 Joules

Q = 172,200 Joules

Q = 172.2 quilojoules

Q = 172.2 kJ

5. Gelo com massa de 50 gramas é aquecido de -5 ^° C para dentro de água a 60 ^° C. Se o calor de fusão do gelo é 80 cal/g, o calor específico do gelo é 0.5 cal/g ^° C e o calor específico da água é 1 cal/g ^° C, determine o calor necessário no processo CD.

Conhecido :

Massa de gelo = massa de água (m) = 50 gramas

Calor latente de fusão do gelo (L _F ) = 80 cal/grama

Calor específico do gelo (c gelo) = 0.5 cal/grama ^° C

Calor específico da água (c água) = 1 cal/grama ^° C

Procura-se: Calor necessário no processo CD

solução:

No processo A para B, o calor é usado para elevar a temperatura do gelo de -5 ^° C para 0 ^° C. O calor é calculado usando esta equação: Q = mc ΔT, onde Q = calor, m = massa do gelo, c = calor específico do gelo e ΔT = a variação de temperatura de -5 ^° C para 0 ^° C.

No processo B para C, o calor é usado para derreter todo o gelo e transformá-lo em água. Nesse processo, a temperatura não se altera. O calor é calculado usando a equação: Q = m L _F , onde Q = calor, m = massa de gelo e L _F = calor latente de fusão do gelo.

No processo C para D, o calor é usado para elevar a temperatura da água de 0 ^° C para 60 ^° C. O calor é calculado usando esta equação: Q = mc ΔT, onde Q = calor, m = massa de água, c = calor específico da água e ΔT = a variação de temperatura de 0 ^° C para 60 ^° C.

O calor necessário para a transição do processo C para o processo D:

Q = mc ΔT = (50 gramas)(1 cal/grama ^° C)(60 ^° C - 0 ^° C) = (50)(1)(60) cal = 3000 cal

6. Se a massa de gelo for 1 kg, o calor específico do gelo for 2100 J/kg ^° C, o calor latente de fusão do gelo for 336,000 J/kg e o calor específico da água for 4200 J/kg ^° C, determine o calor necessário no processo PQR.

Conhecido :

Massa de gelo = 1 kg

Calor latente de fusão do gelo (L _F ) = 336,000 J/kg

Calor específico do gelo (c gelo) = 2,100 J/kg ^° C

Calor específico da água (c água) = 4,200 J/kg ^° C

Procura-se: Calor necessário no processo PQR

solução:

No processo P a Q, o calor é usado para elevar a temperatura do gelo de -5 ^° C para 0 ^° C. O calor é calculado usando esta equação: Q = mc ΔT, onde Q = calor , m = massa do gelo , c = calor específico do gelo e ΔT = a variação de temperatura de -5 ^° C para 0 ^° C.

Calor necessário no processo P para Q:

Q = mc ΔT = (1)(2100)(0-(-5)) = (2100)(5) = 10500 Joules

No processo Q para R, o calor necessário para derreter todo o gelo em água. Nesse processo, a temperatura permanece inalterada. O calor é calculado usando a equação: Q = m L _F , onde Q = calor , m = massa de gelo e L _F = calor latente de fusão do gelo.

Calor necessário no processo Q para R:

Q = m L _F = (1)(336,000) = 336,000 Joules

Calor total:

10,500 + 336,000 = 346,500 Joules

1. O que é calor latente?
   • RespostaO calor latente é a energia térmica necessária para mudar o estado físico de uma substância sem alterar sua temperatura. Representa a energia necessária para quebrar ou formar ligações intermoleculares durante as mudanças de fase.
2. Por que a temperatura permanece constante durante uma mudança de fase?
   • RespostaDurante uma mudança de fase, toda a energia térmica fornecida ou removida é utilizada para alterar o estado físico da substância. Essa energia é usada para quebrar ou formar ligações intermoleculares, e não para aumentar a energia cinética ou a temperatura da substância.
3. Qual a diferença entre calor latente de fusão e calor latente de vaporização?
   • RespostaO calor latente de fusão refere-se à energia térmica necessária para transformar uma substância do estado sólido para o líquido (ou vice-versa) em seu ponto de fusão. O calor latente de vaporização refere-se à energia térmica necessária para transformar uma substância do estado líquido para o gasoso (ou vice-versa) em seu ponto de ebulição.
4. Por que sentimos frio ao sair da piscina em um dia de vento, mesmo que a temperatura do ar esteja quente?
   • RespostaÀ medida que a água evapora da nossa pele, ela sofre uma mudança de fase, passando de líquido para vapor. Esse processo requer energia, que é retirada da nossa pele na forma de calor, fazendo com que a nossa pele fique mais fria.
5. Por que o vapor a 100°C é mais perigoso do que a água fervente a 100°C?
   • RespostaO vapor contém mais energia do que a água fervente porque absorveu o calor latente de vaporização durante a mudança de fase da água para o vapor. Quando o vapor se condensa na pele, libera essa energia extra, causando queimaduras mais graves do que a água fervente.
6. Como a adição de sal ao gelo diminui seu ponto de fusão?
   • RespostaA adição de sal perturba o equilíbrio entre o derretimento e o congelamento da mistura de gelo e água. Isso faz com que mais gelo derreta a uma temperatura mais baixa do que o normal, reduzindo efetivamente o ponto de congelamento da mistura.
7. Por que suar ajuda a refrescar o corpo em um dia quente?
   • RespostaO suor, ao evaporar da pele, sofre uma mudança de fase, passando de líquido para gasoso. Esse processo de evaporação requer energia, que é retirada da pele, resfriando-a.
8. O que é sublimação no contexto das mudanças de fase?
   • RespostaA sublimação é a mudança direta de fase do estado sólido para o gasoso, sem passar pela fase líquida. Um exemplo comum é o gelo seco (dióxido de carbono sólido) que se transforma diretamente em dióxido de carbono gasoso.
9. Por que é necessária energia térmica para derreter o gelo, mesmo que a temperatura permaneça a 0°C?
   • RespostaA energia térmica é usada para quebrar as ligações intermoleculares que mantêm o gelo em sua estrutura sólida. Uma vez que essas ligações são quebradas, o gelo passa para a fase líquida, mesmo que não haja mudança de temperatura.
10. Como a pressão afeta o ponto de ebulição de um líquido?

• RespostaDe modo geral, o aumento da pressão externa eleva o ponto de ebulição de um líquido, enquanto a diminuição da pressão reduz o ponto de ebulição. É por isso que a água ferve a temperaturas inferiores a 100 °C em grandes altitudes, onde a pressão atmosférica é menor.