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UERJ 2016/2
Em um experimento que recebeu seu nome, James Joule determinou o equivalente mecânico do calor: 1 cal = 4,2 J. Para isso, ele utilizou um dispositivo em que um conjunto de paletas giram imersas em água no interior de um recipiente.
Considere um dispositivo igual a esse, no qual a energia cinética das paletas em movimento, totalmente convertida em calor, provoque uma variação de 2 ºC em 100 g de água. Essa quantidade de calor corresponde à variação da energia cinética de um corpo de massa igual a 10 kg ao cair em queda livre de uma determinada altura.
Essa altura, em metros, corresponde a:
a
2,1
b
4,2
c
8,4
d
16,8
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Resposta
C
Tempo médio
5 min
Resolução
Para resolver essa questão, precisamos entender o conceito de equivalente mecânico do calor. Sabemos que a energia cinética é convertida em calor, o que provoca uma variação de temperatura na água. A quantidade de calor é dada pela fórmula Q = mcΔT, onde m é a massa da água, c é o calor específico da água e ΔT é a variação de temperatura. Substituindo os valores, temos Q = 100g * 1 cal/g°C * 2°C = 200 cal. Convertendo calorias para joules usando o equivalente mecânico do calor (1 cal = 4,2 J), temos Q = 200 cal * 4,2 J/cal = 840 J. Sabemos que essa energia é igual à energia potencial gravitacional de um corpo de 10 kg caindo de uma certa altura, que é dada pela fórmula Epg = mgh, onde m é a massa do corpo, g é a aceleração da gravidade e h é a altura. Resolvendo para h, temos h = Epg / (mg) = 840 J / (10 kg * 9,8 m/s²) = 8,4 m. Portanto, a resposta correta é a opção C.
Dicas
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Lembre-se de que a quantidade de calor é dada pela fórmula Q = mcΔT.
Converta calorias para joules usando o equivalente mecânico do calor.
A energia potencial gravitacional é dada pela fórmula Epg = mgh.
Erros Comuns
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Esquecer de converter calorias para joules.
Não usar a fórmula correta para calcular a quantidade de calor ou a energia potencial gravitacional.
Não verificar se a resposta faz sentido fisicamente.
Revisão
O equivalente mecânico do calor é um conceito fundamental na termodinâmica que estabelece a equivalência entre energia mecânica e calor. A energia cinética de um objeto em movimento pode ser convertida em calor, e vice-versa. A energia potencial gravitacional é a energia que um objeto possui devido à sua posição em um campo gravitacional, como a Terra. A energia potencial gravitacional pode ser convertida em energia cinética quando o objeto cai.
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