Treino Para A 1a Frequência

IADE Ciência Aplicada ao Design 2008/2009 Exercícios para a 1a Frequência Constantes:

g = 9,8 m/s2 c = 3 × 108 m/s h = 6,6 × 10−34 Js

Ciência Aprender as etapas do método científico, as características mais importante de cada etapa e as limitações do método. Sujeito/objecto

MÉTODO CIENTÍFICO

Cientista/realidade PONTOS FRACOS

Factos indiscutíveis Observações

Factos indiscutíveis Observações Falsificável

Falsificável

Hipótese de conhecimento

Hipótese de conhecimento

Universais

Universais Experiências

Experiências

Repetíveis

Repetíveis Lei científica

Lei científica

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Distinguir entre grandezas e unidades; saber as grandezas e unidades principais que foram faladas nas aulas: espaço, tempo, massa, velocidade, energia, potência, temperatura, calor, comp. de onda, período, frequência,. . .

Movimento, Energia, Potência, Calor Aprender as fórmulas da velocidade e aceleração média: v=

∆x , ∆t

a=

∆v . ∆t

Saber converter km/h em m/s e vice-versa: 1 m/s = 3,6 km/h. Saber a fórmula da Energia Cinética: 1 Ec = mv 2 . 2 Saber calcular a Potência: P =

∆E . ∆t 1

1. Um carro aumenta a sua velocidade de 40 km/h para 60 km/h. O que sucede com a sua energia cinética? Escolhe uma resposta:  a) Diminui para metade.  c) Aumenta para o dobro.

 b) Aumenta em mais 50%.  d) Aumenta para mais do dobro.

Resposta:

1 × m × 402 = 800 × m 2 1 Ec (60) = × m × 602 = 1800 × m. 2 Ec (40) =

A reposta é d), mais do dobro. 2. Um watt é equivalente a:  a) um joule/s  c) uma caloria/s

 b) um coulomb/s  d) um cavalo

3. A energia cinética pode ser medida em  a) watts  c) gramas

 b) calorias  d) volts.

4. Para cada unidade indique se é uma unidade de energia ou potência: a) cavalo c) watt

b) kilowatt-hora d) caloria.

5. Nesta lista, a que item corresponde mais energia por grama?  a) TNT  c) bateria

 b) bolachas de chocolate  d) urânio.

6. Uma lata de 33 ml de uma bebida tipo Coca-Cola ou Pepsi (sem ser Diet ou Light ou Zero) contém cerca de:  a) 10 kcal  c) 150 kcal

 b) 50 kcal  d) 2000 kcal.

7. Quanto é que o corpo humano consome aproximadamente em energia por dia?  a) 10 kcal  c) 200 kcal

 b) 50 kcal  d) 2000 kcal.

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8. Qual a potência aproximada da luz solar? (Mais que uma resposta pode estar correcta.)    

a) 1 W por metro quadrado b) 1 kW por metro quadrado c) 1 MW por quilómetro quadrado d) 1 GW por quilómetro quadrado.

9. Qual a eficiência de uma célula fotovoltaica barata?  a) 1%  c) 50%

 b) 10%  d) 100%.

10. Uma central nuclear grande tem uma potência (aproximada) de:  a) 1 megawatt  c) 100 gigawatts

 b) 1 gigawatt  d) 1000 gigawatts.

11. Um gerador eólico grande tem uma potência (aproximada) de:  a) 2 quilowatts  c) 2 gigawatts

 b) 2 megawatts  d) 200 gigawatts.

12. Uma pessoa adulta num esforço curto e muito intenso consegue gastar a potência de:  a) 0,01 cavalos  c) 1 cavalo

 b) 0,1 cavalos  d) 10 cavalos.

13. A gasolina tem cerca de 15× mais energia que o explosivo TNT. No entanto, não temos problemas em andar com 40 kg (≈ 40 `) de gasolina no automóvel. Explica porque consideramos a gasolina menos perigosa que o TNT. Resposta: A potência libertada pela gasolina é muito menor que a do TNT, pois o tempo da reação química é muito maior. Como P = ∆E/∆t, se ∆t é muito grande então P é pequeno. Assim, o perigo de explosão da gasolina é muito menor que o de TNT, mesmo que tenha muito mais energia. 14. Uma grama de chocolate tem cerca de 8× mais energia que uma grama do explosivo TNT. No entanto, não existem bombas de chocolate (pelo menos não no sentido de explosivo). Explica porquê. Resposta: Resposta identica à anterior.

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15. As necessidades energéticas de uma casa com 4 pessoas são cerca de 1 kW. Estima quantos geradores eólicos de 2 MW são necessários para garantir o fornecimento de energia a uma cidade de 50 000 habitantes.

Resposta: Essa cidade terá cerca de 50 000/4 = 12 500 casas. Precisa de 12 500kW = 12,5 MW. Portanto, 12,5/2 ≈ 7 geradores são suficientes. 16. Uma central energética produz cerca de 1 GW de energia eléctrica. (a) Quantos geradores eólicos de 2 MW é necessário construir para a substituir? (b) E qual a área coberta de paineis solares, assumindo uma eficiência de 40%? Resposta: (a) Temos que 1 GW = 1 × 109 W e que 2 MW = 2 × 106 W. Assim, a resposta é 1 × 109 = 500. 2 × 106 Portanto são necessários 500 geradores eólicos. (b) Sabe-se que 1 m2 de radiação solar produz cerca de 1 kW. Se os paineis têm uma eficiência de 40%, ficamos com 400 W por cada m2 . Ora: 1 × 109 = 2,5 × 106 m2 = 2,5 km2 . 400 Esta resposta já é aceitável. Para a tornar ainda mais correcta, podemos acrescentar que normalmente considera-se que um painel solar só funciona 8 horas por dia. Para compensar esse facto, teremos que triplicar a área. Portanto a resposta final é 7,5 km2 . 17. As necessidades energéticas anuais em Portugal são cerca de 90 TWh. (a) Quantos geradores de 2MW são necessários para suprir 15% dessa energia? (b) E qual a área a cobrir por paineis solares de 40% de eficiência?

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Resposta: (a) Multiplicando a potência de um gerador pelo número de horas de um ano temos a energia total produzida por ano, em watts-hora: 2 × 106 × 365 × 24 = 1,7 × 1010 Wh. Por outro lado, 15% da energia total corresponde a: 0,15 × 90 × 1012 = 13,5 × 1012 Wh. Logo: 13,5 × 1012 = 794 geradores. 1,7 × 1010 (b) Já vimos que 1 m2 corresponde a 400 W. Por ano isso corresponde a 400 × 365 × 24 = 3,5 × 106 Wh. Logo: 13,5 × 1012 = 3,8 × 106 m2 = 3,8 km2 . 3,5 × 106 Triplicando essa área para ter em conta 8 horas diárias de luz, temos 11,5 km2 , que corresponde a um quadrado com cerca de 3,3 km de lado.

Calor e capacidade calorífica Fórmulas importantes: ∆Q = C.m.∆T 18. Explique os seguintes fenómenos: (a) Um chão de pedra parece mais frio que um de madeira. (b) A louça de plástico seca pior na máquina de lavar louça que a de vidro. (c) Um banho de imersão a 30 ◦ C é frio, mas o ar a essa temperatura é bastante quente. (d) De manhã, o vento sopra predominantemente do mar para a terra; à tarde, da terra para o mar. Resposta: (a) A madeira conduz pior o calor que a pedra; tem também menor capacidade calorífica. Isto significa que, ao contactar com a pele, um chão de madeira vai retirar menos calor ao corpo que um chão de pedra, mesmo estando estes dois materia à mesma temperatura. Portanto sentimos o chão de madeira menos frio que o pedra. 5

(b) O plástico tem uma menor capacidade calorífica que o vidro. Assim, durante a lavagem, absorve menos calor. Quando a lavagem pára, o plástico arrefece depressa e não consegue evaporar as gotas de água, enquanto que o vidro continua quente durante mais tempo. (c) A água tem maior capacidade calorífica que o ar. Assim, quando em contacto a nossa pele a água «retira» mais calor que o ar, arrefecendo a pele mais rapidamente. É também por isso que suamos quando temos calor: o suor arrefece melhor a pele. (d) A areia tem menor capacidade calorífica que a água. Assim, ao amanhecer, o ar por cima do mar aquece mais lentamente que o ar por cima da terra. Assim, este último sobe, o que leve a que se forme um movimento de ar (vento) do lado mais frio (mar) para o mais quente (terra). Ao entardecer acontece o oposto: o ar por cima da terra arrefece mais depressa que o por cima da água, o que leva ao movimento contrário, da terra para o mar. 19. Compare a capacidade de aquecimento de uma fogueira, uma lareira e um recuperador de calor. Resposta: Na fogueira, a maior parte do calor perde-se por convecção por cima. Alguma parte do ar quente vai também para os lados e serve para o aquecimento. No entanto, a subida de ar quente por convecção faz com que haja um movimento de ar frio para a fogueira, o que causa frio na parte do corpo que não está virada para a fogueira. A parte de radiação lateral também é aproveitada assim como parte da condução pelo ar. Na lareira, as pedras aquecem e depois irradiam esse calor para dentro. Temos assim melhor aproveitamento do calor produzido pelas 3 formas. No entanto, ainda não se aproveita o ar quente, pois este contem CO. No recuperador de calor, a caixa de metal que envolve o fogo aquece uma camada de ar e este ar é depois puxado para dentro da sala. Temos então melhor aproveitamento por convecção (o ar quente da fogueira é usado para aquecer o ar dessa camada de ar), por condução (o metal é bom condutor) e por radiação (o metal rodeia o fogo e absorve a radiação emitida). 20. Descreva as diferentes maneiras de transmissão de calor. Resposta: Convecção: o material quente desloca-se fisicamente de um lado para o outro. Exemplo: o ar quente sobe. 6

Condução: a energia cinética das partículas aumenta ao longo do material, sem haver transmissão de matéria. Exemplo: auqecer uma ponta de um ferro. Radição: a energia transmite-se através da radiação electromagnética, sem haver matéria envolvida. Exemplo: calor do Sol. 21. A velocidade média de vibração das moléculas do ar a 20 ◦ C é 343 m/s. Quanto calor existe em 1 kg de ar (sem vento)? Resposta: Sem vento, o ar tem o calor correspondente à energia cinética média das moléculas: 1 Q = Ec = × 1 × 3432 = 58824 J. 2

22. Uma pedra de massa 1 kg choca com o solo à velocidade de 5 m/s. Calcule quanto é que a pedra aumenta de temperatura se toda a energia fosse absorvida por esta como calor. Use Cpedra = 880 J/kg.K. Resposta: A energia cinética vair ser transformada toda em calor. Assim, temos: Ec =

1 × 1 × 52 = 12,5 J = ∆Q. 2

Como ∆Q = C.m.∆T temos: 12,5 = 880 × 1 × ∆T ⇐⇒ ∆T = 0,014 K.

Composição da matéria 23. Diga o que entende por interacção iónica. Dê um exemplo de uma interacção iónica que ocorra na Natureza. Resposta: É uma interacção atómica entre elementos de baixa electronegativade, por exemplo, os elementos da coluna IA da Tabela Periódica (os chamados metais alcalinos), com elementos de elevada electronegatividade, por exemplo, os átomos da coluna VIIA (halogéneos). Nesta interacção, há ganho e perca de electrões. Os iões resultantes, como têm carga eléctrica oposta, atraem-se. Como exemplo, temos a ligação NaCl, onde o sódio perde um electrão e o cloro o ganha.

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24. Diga o que entende por interacção covalente. Dê um exemplo de uma interacção covalente que ocorra na Natureza. Resposta: É uma interacção atómica, onde alguns electrões são compartilhados pelos átomos intervenientes, passando por isso a ter uma orbital que envolve esses átomos. Por exemplo, ligação entre dois átomos de hidrogénio, formando o hidrogénio molecular H2 . 25. Diga o que entende por ligação metálica. Descreva como estão unidos os átomos de uma rede metálica. Explique a que se deve algumas das propriedades típicas dos metais. Resposta: É uma ligação atómica entre átomos cujos electrões da última camada têm uma fraca ligação ao núcleo. Nesse caso, forma-se uma espécie de gás constituído por electrões livres. A coesão é mantida pela partilha entre todos os átomos dessa nuvem electrónica. São estes electrões livres os responsáveis pelas propriedades metálicas, como o brilho, a ductibilidade, a maleabilidade e a condutividade térmica e eléctrica. 26. Descreva as principais características de um sólido cristalino. Dê um exemplo. Resposta: É uma estrutura composta de células unitárias repetidas ao longo de todo o composto. Forma uma estrutura geométrica tridimensional conhecida como um reticulado cristalino. A célula unitária contém um pequeno número de unidades moleculares que possuem uma relação geométrica fixa uma em relação à outra. Cristais de sal (NaCl). 27. Descreva as principais características de um sólido amorfo. Dê um exemplo. Resposta: Alguns sólidos possuem uma desordem tão grande que a substância não pode ser considerada cristalina. Sólidos amorfos são sólidos possuem uma certa ordem local nas suas unidades constituintes, mas que não se mantém coesos por extensões maiores. São constituídos por aglomerados organizados de moléculas mais ou menos extensas, sem estruturas coesas de grande extensão. Madeira.

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Ondas e radiação Fórmulas importantes: c = λf E = hf 28. Explique porque ruído da ondas na praia parece menor ao amanhecer que ao entardecer. Resposta: As ondas ao se propagarem desviam-se para o lado de menor velocidade. Ora ao amanhecer as camadas superiores do ar aquecem mais rapidamente que as inferiores, visto a terra ter maior capacidade calorífica que o ar. Assim, nessa altura do dia as ondas sonoras têm tendencia para curvarem em direcção ao solo, não tendo tanto alcance. Ao entardecer dá-se o inverso: as camadas superiores de ar arrefecem mais depressa do que as junto ao solo. Nessa altura, as ondas sonoras curvam-se para cima, tendo um alcance maior. Ao amanhecer:

Ao entardecer:

29. Mostre que a energia de uma chama azul (λA = 350 nm) é superior à de uma chama vermelha (λV = 650 nm). Resposta: A energia de cada fotão é E = hf . Temos então que calcular f para cada radiação. Para a chama azul temos: c = 350 × 10−9 fA ⇐⇒ fA =

3 × 108 = 8,6 × 1014 Hz. 350 × 10−9

EA = 6,62 × 10−34 × 8,6 × 1014 = 5,7 × 10−19 J. Para a chama vermelha: c = 650 × 10−9 fV ⇐⇒ fV =

3 × 108 = 4,6 × 1014 Hz. 650 × 10−9

EV = 6,62 × 10−34 × 4,6 × 1014 = 3,0 × 10−19 J. Logo, EA > EV . 9

30. Calcule o número aproximado de fotões que chegam do Sol em cada segundo por metro quadrado, contando apenas com a radiação amarela (λ = 510 × 10−9 m). Resposta: Sabemos que a potência de luz solar por metro quadrado é 1 kW, que corresponde a 1000 J em cada segundo por metro quadrado. Por outro lado, a energia de cada fotão de luz amarela é: c = 510 × 10−9 f ⇐⇒ f =

3 × 108 = 5,9 × 1014 Hz. 510 × 10−9

E = 6,62 × 10−34 × 5,9 × 1014 = 3,9 × 10−19 J. Logo o número total de fotões é: 1000 = 2,6 × 1021 fotões. 3,9 × 10−19

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