Energia, fenómenos térmicos e radiação

Exame Nacional 2017, 1.ª fase — Grupo II, item 2

Quando se liga um aquecedor, estabelecem-se correntes de convecção no ar. Nestas correntes,

(A) o ar quente, menos denso, sobe e o ar frio, mais denso, desce.

(B) o ar quente, mais denso, desce e o ar frio, menos denso, sobe.

(C) o ar quente, menos denso, desce e o ar frio, mais denso, sobe.

(D) o ar quente, mais denso, sobe e o ar frio, menos denso, desce.

Exame Nacional 2017, época especial — Grupo III, item 1.1

A combustão completa do metano pode ser traduzida por

\[{\text{CH}}_{4}\left( g \right)+2\,{O}_{2}\left( g \right)\to {\text{CO}}_{2}\left( g \right)+2\,{H}_{2}O\left( l \right)\]

Nesta reação, a variação de entalpia associada à combustão de \(1 \text{mol}\) de \({\text{CH}}_{4}\left( g \right)\) é \(-890 \text{kJ}\).

Considere que a energia libertada nesta reação é usada num processo de aquecimento de água e que o rendimento desse processo é \(100\%\).

O que significa um rendimento do processo de aquecimento de \(100\%\)?

Exame Nacional 2018, 1.ª fase — Grupo I, itens 1.1, 1.2

A Figura 1 representa um sistema de aquecimento de água, constituído por um depósito, um coletor solar plano com cobertura de vidro e um fluido que circula num circuito fechado, por convecção natural. Este fluido transfere energia, como calor, para a água contida no depósito.

a) Considere que existe uma diferença significativa entre a temperatura da água que se encontra na parte inferior do depósito e a temperatura da água que se encontra na parte superior.

Compare a massa volúmica da água que se encontra na parte inferior do depósito com a massa volúmica da água que se encontra na parte superior.

b) A cobertura de vidro do coletor solar é __________ à radiação visível incidente e __________ à maior parte da radiação infravermelha emitida no interior do coletor, o que contribui para o aumento da temperatura no interior do coletor.

(A) transparente … opaca

(B) opaca … transparente

(C) transparente … transparente

(D) opaca … opaca

Exame Nacional 2022, época especial — item 4.1

Uma ciclista desloca-se numa trajetória retilínea, numa ciclovia, numa bicicleta não motorizada.

Considere a roda traseira da bicicleta como um sistema fechado.

No troço de A a B, a roda cedeu ao exterior \(12 J\), como calor, tendo sido realizado sobre ela um trabalho de \(22 J\).

Qual foi a variação da energia interna da roda?

(A) \(+34 J\)

(B) \(+10 J\)

(C) \(-10 J\)

(D) \(-34 J\)

Exame Nacional 2023, época especial — item 2.1

Os primeiros termómetros baseavam-se na dilatação regular de uma substância líquida termométrica perante o aumento de temperatura. Galileu Galilei foi um dos primeiros construtores de termómetros, tendo usado a água como substância termométrica. Posteriormente, foram desenvolvidos termómetros de etanol, por Ole Römer, Gabriel Fahrenheit e outros.

Na tabela, estão registadas temperaturas aproximadas de fusão e de ebulição de duas substâncias termométricas, à pressão normal.

Uma vantagem do uso do etanol como substância termométrica, relativamente à água, é permitir a medição de temperaturas (à pressão normal)

(A) entre \(-114{ }^{\circ }C\) e \(0{ }^{\circ }C\).

(B) abaixo de \(-114{ }^{\circ }C\).

(C) entre \(78{ }^{\circ }C\) e \(100{ }^{\circ }C\).

(D) acima de \(100{ }^{\circ }C\).

Exame Nacional 2024, 1.ª fase — item 5

As lesões desencadeiam processos inflamatórios que, geralmente, levam a um aumento localizado da temperatura. Em medicina desportiva, obtêm-se imagens com gradientes térmicos corporais, chamadas termografias, para diagnosticar lesões.

A Figura 4 apresenta uma imagem termográfica que revela um aumento da temperatura, \(\theta \), da região medial do joelho de um atleta.

Na termografia, regista-se a intensidade

(A) da radiação infravermelha emitida pelo atleta.

(B) da radiação infravermelha absorvida pelo atleta.

(C) dos raios X emitidos pelo atleta.

(D) dos raios X absorvidos pelo atleta.

Exame Nacional 2025, 1.ª fase — item 4.2

Sir Humphry Davy demonstrou que dois blocos de gelo fundem quando friccionados um contra o outro, sendo a temperatura da vizinhança igual à dos blocos de gelo.

Considere um intervalo de tempo, logo após o início da fricção, em que ainda não ocorreu perda de massa dos blocos de gelo.

Nesse intervalo de tempo, ocorreu uma transferência de energia sob a forma de __________, e a energia interna dos blocos __________.

(A) calor … manteve-se constante

(B) calor … aumentou

(C) trabalho … manteve-se constante

(D) trabalho … aumentou

Exame Nacional 2017, 1.ª fase — Grupo II, item 1

À pressão constante de \(1 \text{atm}\), a capacidade térmica mássica do ar é cerca de \(\frac{1}{4}\) da capacidade térmica mássica da água.

Considere uma amostra de ar e uma amostra pura de água, de massas \({m}_{\text{ar}}\) e \(2\,{m}_{\text{ar}}\), respetivamente, às quais foi fornecida a mesma energia, como calor, à pressão constante de \(1 \text{atm}\).

A variação da temperatura da amostra de ar, comparada com a variação da temperatura da amostra de água, será, aproximadamente,

(A) duas vezes menor.

(B) duas vezes maior.

(C) oito vezes menor.

(D) oito vezes maior.

Exame Nacional 2017, 1.ª fase — Grupo II, item 3

Foi realizado um trabalho de \(240 J\) sobre uma amostra de ar, tendo a energia interna da amostra diminuído \(500 J\).

No processo termodinâmico considerado, a amostra

(A) cedeu \(260 J\), como calor.

(B) recebeu \(260 J\), como calor.

(C) cedeu \(740 J\), como calor.

(D) recebeu \(740 J\), como calor.

Exame Nacional 2017, 2.ª fase — Grupo II, itens 1, 2, 3.1, 3.2

Considere amostras puras de gelo fragmentado, à pressão de \(1 \text{atm}\) e à temperatura de fusão (\(0,0{ }^{\circ }C\)).

a) [★] Admita que uma dessas amostras de gelo se encontrava inicialmente a \(-10{ }^{\circ }C\).

Qual foi a variação de temperatura, expressa em kelvin, dessa amostra, até ficar à temperatura de fusão?

(A) \(283 K\)

(B) \(263 K\)

(C) \(-10 K\)

(D) \(10 K\)

b) [★] Enquanto uma pequena amostra de gelo se funde, a sua energia interna

(A) mantém-se constante, porque a sua temperatura se mantém constante.

(B) aumenta, porque a sua temperatura aumenta.

(C) mantém-se constante, apesar de a sua temperatura aumentar.

(D) aumenta, apesar de a sua temperatura se manter constante.

Num recipiente, introduz-se uma amostra de \(150 g\) de gelo, à temperatura de \(0,0{ }^{\circ }C\), e uma amostra de água, à temperatura de \(20,0{ }^{\circ }C\).

c) [★★] Determine a massa mínima de água, a \(20,0{ }^{\circ }C\), que será necessário adicionar à amostra de gelo para que esta apenas se funda, ficando a mistura em equilíbrio térmico à temperatura de \(0,0{ }^{\circ }C\). Admita que não há trocas de energia entre a mistura obtida e a sua vizinhança.

A energia necessária à fusão de \(1,0 \text{kg}\) de gelo é \(3,34\times {10}^{5} J\).

Apresente todas as etapas de resolução.

d) [★★] Para que a amostra de água adicionada ao gelo ficasse à temperatura de \(20,0{ }^{\circ }C\), forneceu-se-lhe energia com uma fonte de \(250 W\), durante \(1,5\) minutos. Neste processo, a energia interna da água aumentou \(1,4\times {10}^{4} J\).

Qual foi o rendimento do processo de aquecimento da água?

(A) \(37\%\)

(B) \(62\%\)

(C) \(2,7\%\)

(D) \(70\%\)

Exame Nacional 2018, 1.ª fase — Grupo I, itens 2.1, 2.2

Um depósito com \(120 \text{kg}\) de água está ligado a um coletor plano de área \(4,0 {m}^{2}\), que está exposto à radiação solar, em média, durante \(8,0 h\) por dia. Nas condições de exposição, a potência média da radiação solar incidente por unidade de área é \(5,1\times {10}^{2} {\text{W m}}^{-2}\).

a) [★] A grandeza potência por unidade de área pode também ser expressa em

(A) \({\text{kW h m}}^{-2}\)

(B) \({\text{kJ s}}^{-1}{ m}^{-2}\)

(C) \({\text{kJ s m}}^{-2}\)

(D) \({\text{kW h}}^{-1}{ m}^{-2}\)

b) [★★] A temperatura da água contida no depósito aumenta, em média, \(35{ }^{\circ }C\), ao fim das \(8,0 h\) diárias de exposição do coletor à radiação solar.

Determine o rendimento médio do processo de aquecimento considerado.

Apresente todas as etapas de resolução.

Exame Nacional 2018, 2.ª fase — Grupo III, item 2

A energia necessária para a fusão de \(1,0 \text{kg}\) de ferro, inicialmente à temperatura de fusão, é \(2,47\times {10}^{2} \text{kJ}\).

Que energia mínima, em joule, tem de ser absorvida por \(500 g\) de ferro, à temperatura de fusão, para que o ferro se funda completamente?

(A) \(\left( \frac{2,47\times {10}^{2}\times {10}^{3}}{0,500} \right) J\)

(B) \(\left( \frac{2,47\times {10}^{2}\times {10}^{-3}}{0,500} \right) J\)

(C) \(\left( 0,500\times 2,47\times {10}^{2}\times {10}^{3} \right) J\)

(D) \(\left( 0,500\times 2,47\times {10}^{2}\times {10}^{-3} \right) J\)

Exame Nacional 2019, 1.ª fase — Grupo II, item 1.1

Num ensaio laboratorial, adicionou-se uma amostra de água, a uma temperatura \(T\), a uma outra amostra de água, de massa \(350,0 g\) e inicialmente a \(5,2{ }^{\circ }C\). Verificou-se que, após um determinado intervalo de tempo, o sistema resultante daquela adição ficou à temperatura de \(27,9{ }^{\circ }C\).

Calculou-se a energia total cedida pela amostra de água inicialmente à temperatura \(T\), tendo-se obtido \(3,85\times {10}^{4} J\).

Conclua em que sentido terá ocorrido a transferência de energia entre o sistema resultante daquela adição e o exterior, até ser atingida a temperatura de \(27,9{ }^{\circ }C\).

Mostre como chegou à conclusão solicitada.

Exame Nacional 2019, 2.ª fase — Grupo III, item 1.2

Numa aula laboratorial, os alunos colocaram num calorímetro \(90 g\) de água, na qual mergulharam um fio condutor eletricamente isolado, de resistência elétrica \(R\). Para aquecer a água, fizeram passar nesse fio, durante \(180 s\), uma corrente elétrica \(I\), tendo determinado o aumento da temperatura, \(\Delta T\), da água, nesse intervalo de tempo.

Repetiram a experiência para diferentes valores de corrente elétrica.

Um outro aluno traçou, a partir dos resultados experimentais obtidos, o gráfico do aumento da temperatura, \(\Delta T\), da água em função da potência dissipada, \(P\), no fio condutor.

Determine o declive da reta do gráfico, considerando que toda a potência dissipada no fio é utilizada no aquecimento da água.

Mostre como chegou ao valor solicitado.

Exame Nacional 2019, 2.ª fase — Grupo III, item 2

Para uma irradiância de \(1000 {\text{W m}}^{-2}\) e a \(25{ }^{\circ }C\), um painel fotovoltaico, de área \(1,63 {m}^{2}\), fornece uma potência elétrica máxima quando a diferença de potencial nos seus terminais é \(28,5 V\) e a corrente elétrica é \(7,6 A\).

Determine o rendimento máximo do painel, nas condições consideradas.

Apresente todas as etapas de resolução, explicitando todos os cálculos efetuados.

Exame Nacional 2019, época especial — Grupo V, itens 4.1, 4.2

Uma amostra de água de massa \(m\), inicialmente a \(26{ }^{\circ }C\) e contida num recipiente, foi introduzida num congelador. Ao fim de um determinado intervalo de tempo, a temperatura da água estabilizou a \(-20{ }^{\circ }C\).

Na tabela seguinte, estão registados os valores de algumas propriedades físicas da água.

a) [★★] Compare, quantitativamente, a energia envolvida na mudança de estado físico da amostra de água com a energia total envolvida nas variações de temperatura da amostra.

Apresente todas as etapas de resolução, explicitando todos os cálculos efetuados.

b) [★] Até atingir a temperatura de \(-20{ }^{\circ }C\), a água __________ a vizinhança, através das paredes do recipiente, essencialmente por __________.

(A) cede energia à … condução

(B) recebe energia da … condução

(C) cede energia à … convecção

(D) recebe energia da … convecção

Exame Nacional 2020, 1.ª fase — Grupo II, item 1.3.2

A massa de uma gota de água, B, é \(4,2\times {10}^{-3} g\).

Considere que, em determinadas condições, a variação de entalpia (mássica) de vaporização da água é \(2,4 {\text{kJ g}}^{-1}\).

A energia necessária para a vaporização da gota B, nessas condições, é

(A) \(0,57 J\)

(B) \(10 J\)

(C) \(0,57 \text{kJ}\)

(D) \(10 \text{kJ}\)

Exame Nacional 2020, 1.ª fase — Grupo II, item 2

Considere que foi fornecida, à pressão de \(1 \text{atm}\), a mesma energia a uma gota de água e a uma amostra de ar com o dobro da massa dessa gota.

A essa pressão, a capacidade térmica mássica da água líquida é cerca de quatro vezes superior à capacidade térmica mássica do ar.

A variação de temperatura da gota, comparada com a variação de temperatura da amostra de ar, será, aproximadamente,

(A) oito vezes maior.

(B) oito vezes menor.

(C) duas vezes maior.

(D) duas vezes menor.

Exame Nacional 2020, 2.ª fase — Grupo I, itens 6.2, 6.3

A água, presente nos estados sólido, líquido e gasoso na atmosfera terrestre, é uma substância peculiar, pois as propriedades que a caracterizam, como a variação de entalpia de vaporização e a capacidade térmica mássica, apresentam valores muito diferentes dos que seriam expectáveis.

a) Para vaporizar uma amostra de água que se encontre à temperatura de ebulição, à pressão atmosférica normal, é necessário \(7,2\) vezes mais energia do que para aquecer essa amostra de \(25{ }^{\circ }C\) até \(100{ }^{\circ }C\).

A energia envolvida na vaporização de \(1,0 g\) de água que se encontra à temperatura de ebulição será, aproximadamente,

(A) \(3,0\times {10}^{3} J\)

(B) \(2,3\times {10}^{3} J\)

(C) \(3,0\times {10}^{6} J\)

(D) \(2,3\times {10}^{6} J\)

b) Uma esfera metálica é aquecida e, a seguir, mergulhada em água fria contida num calorímetro. Admita que o sistema esfera + água se comporta como um sistema isolado.

Considere que a massa da esfera é igual à massa da água contida no calorímetro e que a capacidade térmica mássica do metal constituinte da esfera é menor do que a capacidade térmica mássica da água.

Num mesmo intervalo de tempo, a energia cedida pela esfera será __________ energia absorvida pela água, sendo a diminuição da temperatura da esfera __________ do que o aumento da temperatura da água.

(A) menor do que a … maior

(B) menor do que a … menor

(C) igual à … maior

(D) igual à … menor

Exame Nacional 2020, época especial — Grupo II, itens 1, 2, 3.1, 3.2

A Figura 1 representa um tubo cilíndrico de altura \(1,10 m\), fechado em ambas as extremidades. O tubo contém pequenas esferas metálicas.

Ao inverter-se rapidamente o tubo, as esferas caem, colidindo com a base inferior do tubo. Repetido diversas vezes este procedimento, verifica-se um aumento da temperatura das esferas.

a) [★] Identifique o principal processo de transferência de energia responsável pelo aumento da temperatura das esferas.

b) [★★] Considere o intervalo de tempo desde o instante em que as esferas iniciam a queda, após uma dada inversão, até ao instante imediatamente após a sua colisão com a base inferior do tubo, e considere que a transferência de energia das esferas para o tubo não é desprezável.

No intervalo de tempo considerado, __________ da energia mecânica do sistema esferas + Terra é __________ à variação da energia interna das esferas.

(A) o aumento … superior

(B) o aumento … inferior

(C) a diminuição … superior

(D) a diminuição … inferior

A experiência foi realizada com esferas de chumbo de massa total \(m\), tendo sido repetida com esferas de ferro, com a mesma massa total. Em cada experiência, o tubo foi invertido \(50\) vezes.

A capacidade térmica mássica do chumbo é \(129 {\text{J kg}}^{-1}{\,}^{\circ }{C}^{-1}\), sendo a capacidade térmica mássica do ferro superior.

Considere que a transferência de energia entre as esferas e a sua vizinhança é desprezável.

c) [★★] Determine o aumento da temperatura das esferas de chumbo na experiência realizada.

Explicite o seu raciocínio, indicando todos os cálculos efetuados.

d) [★★] Conclua se, nas experiências realizadas, o aumento da temperatura das esferas de ferro terá sido maior, igual ou menor do que o aumento da temperatura das esferas de chumbo.

Mostre como chegou à conclusão solicitada.

Exame Nacional 2021, época especial — item 5.1

Muitos satélites movimentam-se em órbitas aproximadamente circulares e estão equipados com painéis fotovoltaicos que produzem a energia necessária ao seu funcionamento.

Um satélite geoestacionário possui painéis fotovoltaicos cuja área total é \(6,0 {m}^{2}\).

Considere que a irradiância solar média é \(1,25 {\text{kW m}}^{-2}\) e que, ao fim de uma órbita, a energia elétrica produzida pelos painéis é \(22 \text{kW h}\).

O rendimento médio dos painéis fotovoltaicos será

(A) \(49\%\)

(B) \(34\%\)

(C) \(24\%\)

(D) \(12\%\)

Exame Nacional 2022, 2.ª fase — item 1.3.2

O satélite SOHO está equipado com painéis fotovoltaicos.

Considere que a potência média da radiação solar por unidade de área, na órbita do satélite, é \(1370 {\text{W m}}^{-2}\) e que o conjunto de painéis fotovoltaicos instalados no satélite tem um rendimento médio de \(20\%\). Admita que a potência útil dos painéis é \(1500 W\).

Qual das expressões seguintes permite calcular a área total de painéis fotovoltaicos no SOHO?

(A) \(\frac{1500\times 0,20}{1370} {m}^{2}\)

(B) \(\frac{1500}{1370\times 0,20} {m}^{2}\)

(C) \(\frac{1370\times 0,20}{1500} {m}^{2}\)

(D) \(\frac{1370}{1500\times 0,20} {m}^{2}\)

Exame Nacional 2022, época especial — itens 2.1, 2.2

Num certo local, foi construído um sistema de aquecimento de água de baixo custo, que funciona como a seguir se descreve.

O sistema é constituído por um coletor solar e por um reservatório, encontrando-se este numa posição mais elevada em relação àquele.

A água, que circula no coletor solar dentro de tubos, é aquecida pelo Sol e sobe, por convecção, ao reservatório. A água mais fria do reservatório desce para o coletor. A repetição cíclica deste processo possibilita o aquecimento da água do reservatório.

a) [★] Nos esquemas seguintes, as setas indicam o sentido da circulação da água.

Qual dos esquemas apresenta a forma mais eficiente de ligar o coletor solar ao reservatório, para aquecer a água do reservatório?

b) [★★] O coletor solar foi construído com uma área de \(2,5 {m}^{2}\), e o sistema coletor solar + reservatório foi cheio com \(100 L\) de água. Após \(7,0 h\) de exposição solar, a temperatura da água subiu de \(23{ }^{\circ }C\) para \(41{ }^{\circ }C\).

Admita que a irradiância solar média, no nível em que o coletor se encontra, é \(600 {\text{W m}}^{-2}\) e que \({\rho }_{\text{água}}=1,00 {\text{kg dm}}^{-3}\).

Considere desprezável o aquecimento do reservatório por exposição solar direta e a reflexão no coletor solar.

Calcule a energia dissipada neste processo de aquecimento.

Apresente todos os cálculos efetuados.

Exame Nacional 2023, 2.ª fase — itens 10.1, 10.2.1, 10.2.2

No laboratório, é comum aquecerem-se amostras de água.

a) [★] Considere que uma amostra de água no estado líquido é aquecida numa placa elétrica, utilizando-se um copo de precipitação.

Minimizam-se as perdas de massa e de energia para o exterior se o copo de precipitação estiver

(A) destapado e o seu diâmetro for igual ao da placa elétrica.

(B) tapado e o seu diâmetro for igual ao da placa elétrica.

(C) destapado e o seu diâmetro for inferior ao da placa elétrica.

(D) tapado e o seu diâmetro for inferior ao da placa elétrica.

A Figura 9 apresenta o gráfico teórico da temperatura, \(\theta \), de uma amostra de água de massa \(m\), em função do tempo, \(t\), desde o estado sólido (gelo) à sua vaporização completa, a pressão constante.

Admita que a amostra é aquecida numa placa elétrica de potência, \(P\), constante e que o rendimento no processo de aquecimento é \(100\%\).

b) [★★] Qual das expressões seguintes permite calcular a capacidade térmica mássica do gelo?

Despreze as perdas de massa durante o aquecimento do gelo.

(A) \(\frac{P\,\left( {\theta }_{2}-{\theta }_{1} \right)}{m\times {t}_{1}}\)

(B) \(\frac{P\times {t}_{1}}{m\,\left( {\theta }_{2}-{\theta }_{1} \right)}\)

(C) \(\frac{P\times \left( {\theta }_{3}-{\theta }_{2} \right)}{m\,\left( {t}_{3}-{t}_{2} \right)}\)

(D) \(\frac{P\times \left( {t}_{3}-{t}_{2} \right)}{m\,\left( {\theta }_{3}-{\theta }_{2} \right)}\)

c) [★★] Complete o texto seguinte, selecionando a opção adequada a cada espaço.

De acordo com a informação apresentada no gráfico da Figura 9, pode concluir-se que, durante as mudanças de fase da amostra de água, a temperatura da água a) __________ e a sua energia interna b) __________. A energia necessária para a vaporização completa da amostra de água foi c) __________ à energia necessária para a sua fusão completa.

Exame Nacional 2024, 2.ª fase — itens 1.2, 1.3

Os telescópios espaciais, que orbitam a Terra ou o Sol, permitem observar o espaço longínquo em diferentes comprimentos de onda.

Na Figura 1, está representado o Telescópio Espacial James Webb (cuja sigla corrente, JWST, designa o seu nome original, em inglês, James Webb Space Telescope), podendo observar-se o espelho principal, o escudo solar e os painéis fotovoltaicos.

a) O escudo solar do JWST impede que a luz proveniente do Sol, da Terra e da Lua atinja alguns dos seus equipamentos, permitindo que estes se mantenham à temperatura adequada ao seu funcionamento.

Complete o texto seguinte, selecionando a opção correta para cada espaço.

A função do escudo solar do JWST é a) __________ a energia que é transferida do Sol, da Terra e da Lua por b) __________. Este telescópio já conseguiu identificar várias substâncias no Universo, entre as quais hidrocarbonetos saturados, como, por exemplo, c) __________, e substâncias constituídas por moléculas apolares, como, por exemplo, d) __________.

b) Os painéis fotovoltaicos do JWST produzem energia elétrica. A potência gerada por estes painéis aumenta com __________ do ângulo entre os raios solares incidentes e a normal ao plano do painel fotovoltaico e é calculada pela expressão __________, em que \(U\) representa a diferença de potencial elétrico aos terminais do painel e \(I\) representa a corrente elétrica que o atravessa.

(A) a diminuição … \(U\times {I}^{2}\)

(B) a diminuição … \(U\times I\)

(C) o aumento … \(U\times {I}^{2}\)

(D) o aumento … \(U\times I\)

Exame Nacional 2025, época especial — itens 7.1, 7.2

Uma das fases do processo de conservação de artefactos de ferro consiste em colocá-los em óleo mineral.

Considere que uma peça de ferro foi mergulhada em óleo mineral que se encontrava a uma temperatura superior à da peça.

a) [★] Até ser atingido o equilíbrio térmico, há transferência de energia sob a forma de

(A) calor, do ferro para o óleo mineral.

(B) trabalho, do ferro para o óleo mineral.

(C) calor, do óleo mineral para o ferro.

(D) trabalho, do óleo mineral para o ferro.

b) [★★] A Figura 5 apresenta o gráfico da temperatura, \(\theta \), da peça de ferro, de massa \(2,25 \text{kg}\), e do óleo mineral, em função do tempo, \(t\), após serem postos em contacto.

Considere que a capacidade térmica mássica do óleo é \(1850 {\text{J kg}}^{-1}\,{K}^{-1}\) e que a capacidade térmica mássica do ferro é \(444 {\text{J kg}}^{-1}\,{K}^{-1}\).

Admita que, até ser atingido o equilíbrio térmico, todas as transferências de energia ocorrem no interior do sistema ferro + óleo mineral e que não se registaram mudanças de estado físico.

Determine a massa do óleo mineral.

Apresente todos os cálculos efetuados.

Exame Nacional 2026, 1.ª fase — itens 6.1, 6.2

Ao deixar uma chávena de chá quente e um copo com gelo em cima da mesa, ao fim de algum tempo, o chá irá arrefecer e o gelo irá derreter.

a) [★] A transferência de energia através das paredes da chávena ocorre por __________ e, nesse processo, o chá __________.

(A) condução … recebe energia

(B) condução … cede energia

(C) convecção … cede energia

(D) convecção … recebe energia

b) [★★] A capacidade térmica mássica do gelo é inferior à capacidade térmica mássica da água líquida.

Qual das opções seguintes apresenta o esboço do gráfico da temperatura, \(\theta \), da água, inicialmente na forma de gelo, em função do tempo, \(t\), até atingir a temperatura ambiente?

Exame Nacional 2026, época especial — itens 8.1.1, 8.1.2, 8.2

Os projéteis dos canhões podiam ser de ferro ou de chumbo, sendo o chumbo preferido pelos ferreiros devido ao baixo ponto de fusão e à elevada maleabilidade.

A tabela seguinte apresenta o ponto de fusão e a capacidade térmica mássica de cada um dos metais.

a) [★★] Considere duas amostras, com a mesma massa, uma de ferro e outra de chumbo.

Qual é o esboço do gráfico que pode representar a variação de temperatura, \(\Delta \theta \), das duas amostras, em função da energia fornecida, \(E\), considerando que o rendimento no processo de aquecimento é \(100\%\)?

b) [★★] Qual é a razão entre as energias necessárias para elevar a temperatura de cada uma das amostras, \(\frac{{E}_{\text{Fe}}}{{E}_{\text{Pb}}}\), inicialmente à temperatura de \(25{ }^{\circ }C\), até atingirem as respetivas temperaturas de fusão?

(A) \(3,5\)

(B) \(4,7\)

(C) \(16,3\)

(D) \(17,3\)

c) [★] O fabrico de objetos em ferro forjado envolvia o aquecimento do metal até à incandescência, sendo posteriormente retirado do forno de forja e moldado com um martelo.

Considere que, durante a moldagem de um objeto, este cede uma energia \({E}_{1}\) ao ambiente e, por ação do martelo, recebe uma energia \({E}_{2}\).

Qual das expressões seguintes traduz a variação da energia interna do objeto?

(A) \({E}_{1}-{E}_{2}\)

(B) \(-{E}_{1}-{E}_{2}\)

(C) \(-{E}_{1}+{E}_{2}\)

(D) \({E}_{1}+{E}_{2}\)

Exame Nacional 2018, 2.ª fase — Grupo III, itens 1.1, 1.2

Na Figura 3, está representado o gráfico da variação da temperatura, \(\Delta \theta \), de uma amostra pura de \(500 g\) de ferro, em função da energia, \(E\), que seria necessário fornecer a essa amostra se o processo de aquecimento tivesse um rendimento de \(100\%\).

a) [★★] Quando aquela amostra foi aquecida por uma fonte de potência \(40 W\), durante \(1,6\) minutos, a sua temperatura aumentou \(10,0{ }^{\circ }C\).

Qual foi o rendimento deste processo de aquecimento?

(A) \(71\%\)

(B) \(42\%\)

(C) \(58\%\)

(D) \(29\%\)

b) [★★★] Um recipiente contém \(1,50 \text{kg}\) de água, à temperatura de \(20,0{ }^{\circ }C\). Uma esfera de ferro, de massa \(850 g\) e inicialmente à temperatura de \(70,0{ }^{\circ }C\), é introduzida na água.

Determine a temperatura de equilíbrio do sistema água + esfera, admitindo que o sistema é isolado.

Apresente todas as etapas de resolução.

Exame Nacional 2018, época especial — Grupo II, itens 1, 2.1, 2.2

Considere uma garrafa térmica cujas paredes são formadas por duas camadas de plástico, entre as quais existe ar.

a) [★] Se, em vez de ar, existisse vácuo entre as duas camadas de plástico, a taxa temporal de transferência de energia entre essas camadas seria menor por

(A) condução, mas não por radiação.

(B) condução e por radiação.

(C) radiação, mas não por convecção.

(D) radiação e por convecção.

Introduziu-se uma amostra de \(1,20 \text{kg}\) de um líquido, inicialmente a \(80,0{ }^{\circ }C\), na garrafa térmica.

Na Figura 3, está representado o gráfico da temperatura, \(\theta \), dessa amostra, em função do tempo, \(t\), num determinado intervalo de tempo.

b) [★★] No intervalo de tempo __________, a energia cedida pelo líquido foi __________ à energia absorvida pelo líquido.

(A) \(\left[ 0,\,{t}_{1} \right]\) … igual

(B) \(\left[ {t}_{1},\,{t}_{2} \right]\) … inferior

(C) \(\left[ 0,\,{t}_{1} \right]\) … inferior

(D) \(\left[ {t}_{1},\,{t}_{2} \right]\) … igual

c) [★★★] No instante \({t}_{2}\), introduziu-se, no líquido contido na garrafa térmica, uma esfera de metal, de massa \(800 g\) e à temperatura de \(4,0{ }^{\circ }C\). Verificou-se que o sistema esfera + líquido atingiu o equilíbrio térmico à temperatura de \(73,0{ }^{\circ }C\).

Admita que a transferência de energia entre o sistema esfera + líquido e o exterior foi desprezável.

Determine o quociente entre a capacidade térmica mássica do líquido e a capacidade térmica mássica do metal constituinte da esfera.

Apresente todas as etapas de resolução.

Exame Nacional 2021, 1.ª fase — item 1.1

Em meados do século XIX, James Joule estabeleceu a equivalência entre trabalho e calor, comparando a energia transferida como trabalho, necessária para obter um determinado aumento de temperatura numa amostra de água, com a energia transferida como calor para obter o mesmo efeito.

Joule utilizou um dispositivo semelhante ao esquematizado na Figura 1, no qual dois discos de chumbo (\({D}_{1}\) e \({D}_{2}\)) eram elevados a uma determinada altura. Quando os discos caíam, faziam rodar um sistema de pás mergulhado na água contida num recipiente. O movimento rotativo das pás provocava a agitação da água, o que conduzia a um aumento da sua temperatura.

A massa total dos discos era \(26,3 \text{kg}\) e a massa da água contida no recipiente era \(6,04 \text{kg}\).

A partir dos resultados obtidos numa série de experiências, Joule verificou que, após \(20\) quedas sucessivas de uma mesma altura de \(1,60 m\), o aumento de temperatura da água era, em média, \(0,313{ }^{\circ }C\).

Admita que, naquela série de experiências, o aumento da energia interna da água foi, em média, \(95,2\%\) da diminuição da energia potencial gravítica do sistema discos + Terra que resultou das \(20\) quedas sucessivas dos discos.

Considere que, no local onde foram realizadas as experiências, o módulo da aceleração gravítica era \(9,81 {\text{m s}}^{-2}\).

Determine, a partir dos resultados de Joule, a capacidade térmica mássica da água.

Apresente todos os cálculos efetuados.

Exame Nacional 2021, 2.ª fase — itens 2.2.1, 2.2.2

A Estação Espacial Internacional (EEI) move-se em torno da Terra, numa órbita aproximadamente circular.

Admita que a região em que a EEI se move pode ser considerada como vácuo.

As paredes da EEI são revestidas por uma superfície refletora e são constituídas por materiais de baixa condutividade térmica. A estação dispõe ainda de um sistema de controlo de temperatura que permite regular a transferência de energia para o espaço.

a) [★] A superfície refletora permite __________ a absorção da radiação solar, e a transferência de energia da estação para o espaço ocorre, essencialmente, por __________.

(A) minimizar … radiação

(B) maximizar … radiação

(C) minimizar … condução

(D) maximizar … condução

b) [★★★] O período orbital da EEI é \(1,5\) horas.

Admita que, numa dada zona da EEI:

– para manter a temperatura do ar, é necessário que a potência transferida para o espaço seja, em média, \(30 \text{kW}\) por cada órbita;

– a massa de ar nessa zona é \(1,1\times {10}^{3} \text{kg}\), e a capacidade térmica mássica do ar é \(7,2\times {10}^{2} {\text{J kg}}^{-1}{\,}^{\circ }{C}^{-1}\).

Devido a uma avaria, verificou-se que a temperatura do ar naquela zona aumentou \(17{ }^{\circ }C\), no intervalo de tempo que a EEI leva a descrever uma órbita.

Calcule a percentagem da energia absorvida pelo ar existente naquela zona da EEI, em relação à energia que deveria ter sido transferida para o espaço.

Apresente todos os cálculos efetuados.

Exame Nacional 2022, 1.ª fase — item 5.2

A erupção de um vulcão pode libertar energia suficiente para vaporizar a água de um lago.

Calcule a energia, em unidades SI, necessária para vaporizar \(59\,400 {m}^{3}\) de água no estado líquido, à pressão atmosférica normal.

Admita que, nas condições indicadas:

– a massa volúmica da água é \(1,00 {\text{g cm}}^{-3}\);

– a temperatura inicial da água é \(18,0{ }^{\circ }C\);

– a entalpia de vaporização da água é \(2,26\times {10}^{3} {\text{kJ kg}}^{-1}\).

Apresente todos os cálculos efetuados.

Exame Nacional 2023, 1.ª fase — item 4

Um objeto sólido, a uma dada temperatura, é introduzido num recipiente isolado termicamente, completamente cheio de água líquida a uma temperatura inferior à do objeto. Após um determinado intervalo de tempo, a água e o sólido atingem o equilíbrio térmico.

Esta experiência é repetida com um segundo objeto sólido, que apresenta a mesma massa.

Admita, para as duas experiências, que:

– não ocorrem mudanças de estado físico;

– as massas da água são iguais.

A Figura 4 representa os gráficos da temperatura, \(\theta \), dos objetos e da água, em função do tempo, \(t\), para cada uma das experiências, numa mesma escala.

Conclua, justificando, qual dos dois objetos (1 ou 2) apresenta maior capacidade térmica mássica.

Apresente um texto estruturado, utilizando linguagem científica adequada.

Exame Nacional 2023, 1.ª fase — item 8

Na Antártida, um meteorito de \(12 \text{kg}\), à temperatura de \(3100{ }^{\circ }C\), enterra-se num bloco de gelo de grandes dimensões com uma velocidade de \(10 {\text{km s}}^{-1}\), em módulo.

Admita que:

– o bloco de gelo se encontra à temperatura de \(0{ }^{\circ }C\);

– toda a energia cinética do meteorito é utilizada para fundir gelo do bloco;

– a capacidade térmica mássica do material que constitui o meteorito é \(830 {\text{J kg}}^{-1}\,{K}^{-1}\);

– a temperatura de fusão do gelo é \(0{ }^{\circ }C\);

– a variação de entalpia (mássica) de fusão do gelo é \(3,34\times {10}^{5} {\text{J kg}}^{-1}\).

Determine a massa de gelo que se funde, considerando que, no final, o sistema meteorito + bloco de gelo se encontra a \(0{ }^{\circ }C\).

Apresente todos os cálculos efetuados.

Exame Nacional 2024, 1.ª fase — item 2.1

Na reciclagem de equipamentos eletrónicos, a extração de metais pode ser feita através de diferentes processos.

Na pirometalurgia, removem-se os metais líquidos à medida que estes se vão fundindo por aumento da temperatura da mistura.

A tabela apresenta, para a prata, a capacidade térmica mássica (no estado sólido), o ponto de fusão (à pressão atmosférica normal) e a variação de entalpia mássica de fusão.

Considere que foram extraídos \(1,40 \text{kg}\) de prata, no estado sólido, de diversos equipamentos eletrónicos.

Determine, em unidades SI, a potência mínima de um forno necessária para, em \(600\) segundos, fundir a totalidade da prata, inicialmente a \(25,0{ }^{\circ }C\).

Apresente todos os cálculos efetuados.

Exame Nacional 2025, 2.ª fase — item 3.2

Num laboratório, realizou-se uma experiência para investigar a relação entre a irradiância (potência da radiação que chega a uma superfície, por unidade de área), \({E}_{r}\), num painel fotovoltaico e a distância, \(r\), do painel a uma lâmpada de incandescência.

Admita que a luz emitida pela lâmpada se espalha por uma superfície esférica, cuja área pode ser calculada por \(4\pi {r}^{2}\).

A tabela apresenta os dados de \({E}_{r}\) e de \(r\) medidos e, ainda, a área da superfície esférica de raio \(r\) e o seu inverso.

Determine a potência da radiação emitida pela lâmpada.

Na sua resposta, comece por apresentar a equação da reta de ajuste a um gráfico adequado.

Exame Nacional 2026, 2.ª fase — item 1.2.4

O ponto de fusão do metal gálio é \(30{ }^{\circ }C\), o que lhe confere o comportamento peculiar de se fundir facilmente quando em contacto com a mão de uma pessoa.

Descreva, à escala atómica, o que sucede quando este metal se funde em contacto com a mão.

Na sua resposta, comece por justificar que a transferência de energia da mão para o gálio ocorre, predominantemente, sob a forma de calor.

Apresente um texto bem estruturado e utilize linguagem científica adequada.

Exame Nacional 2026, 2.ª fase — item 2.3

Para produzir, a partir da bauxite, alumínio suficiente para uma lata de bebida, admita que é utilizada uma energia de \(2,202\times {10}^{5} J\).

Uma empresa divulgou um estudo no qual se refere que, na produção de uma mesma massa de alumínio, optando por reciclar latas de bebida usadas, se poupa entre \(85\%\) e \(95\%\) de energia. Nesse processo, as latas usadas são aquecidas até à sua fusão completa, obtendo-se, no estado líquido, o alumínio com o qual se fabricam novas latas.

Considere que, no processo descrito:

– cada lata usada tem \(20,0 g\) de alumínio e está, inicialmente, a \(20,0{ }^{\circ }C\);

– o ponto de fusão do alumínio é \(660,3{ }^{\circ }C\);

– a capacidade térmica mássica do alumínio é \(1050 {\text{J kg}}^{-1}{\,}^{\circ }{C}^{-1}\);

– a entalpia de fusão de \(1,00 \text{kg}\) de alumínio é \(3,965\times {10}^{5} J\).

Verifique se a informação referida no estudo é verdadeira.

Apresente todos os cálculos efetuados.