Exercícios: Trabalho e calor como transferências de energia

A Irene desce uma descida longa de bicicleta e aperta o travão quase todo o tempo. Ao chegar ao fundo toca com cuidado na pastilha do travão e nota que está quente.

1. a) A energia chegou à pastilha sob a forma de trabalho ou de calor?
2. b) Que força realizou essa transferência de energia?

O Marcos tem as mãos frias e encosta-as à caneca de chocolate quente da sua irmã. Pouco depois sente as mãos muito melhor.

1. a) As mãos do Marcos receberam energia sob a forma de trabalho ou de calor?
2. b) Que corpo cedeu energia e qual a recebeu?

Classifica cada situação consoante a energia se transfira por trabalho (atua uma força) ou por calor (existe diferença de temperatura):

1. a) Esticas um elástico com os dedos.
2. b) Uma frigideira fria sobre a placa vitrocerâmica ligada.
3. c) A varinha mágica agita o sumo com força.
4. d) Aqueces as mãos aproximando-as de uma fogueira.
5. e) Esfregas as mãos uma na outra para aquecer.

Completa a frase com as palavras em falta: «Um sistema pode receber ou perder energia de duas maneiras: por $\dots$, quando uma $\dots$ produz um deslocamento, ou por $\dots$, quando existe uma diferença de $\dots$ entre dois corpos». Apresenta de seguida um exemplo do dia a dia de cada maneira.

No Sistema Internacional, tanto o trabalho como o calor medem-se em joules ($\text{J}$), a mesma unidade da energia. Explica por palavras tuas por que razão faz sentido que os três conceitos partilhem a mesma unidade.

Ao encher o pneu da bicicleta com uma bomba de ar manual, o corpo da bomba fica quente após algumas bombadas.

1. a) Que trabalho se realiza em cada bombada e sobre o quê?
2. b) Explica por que razão o corpo da bomba aquece mesmo sem nenhuma fonte de calor por perto.

Um carro que circulava a $90\ \text{km/h}$ trava até parar. A energia que o carro tinha desapareceu? Explica para onde foi de acordo com o primeiro princípio da termodinâmica.

Indica se a afirmação é verdadeira ou falsa e corrige a ideia: «Quando coloco gelo na bebida gaseificada, o frio do gelo passa para a bebida e por isso ela arrefece».

O trabalho realizado por uma força constante que empurra um corpo na direção do movimento calcula-se através de $W = F \cdot d$, onde $d$ é a distância percorrida. No supermercado, a Noa empurra o carrinho com uma força de $20\ \text{N}$ ao longo de $5\ \text{m}$ pelo corredor, como se mostra na figura.

1. a) Calcula o trabalho realizado.
2. b) Em que se transformou principalmente esse trabalho se o carrinho se move cada vez mais depressa?

Um monta-cargas de obra eleva uma caixa de ferramentas puxando pelo cabo com uma força de $250\ \text{N}$ durante $6\ \text{m}$ de subida, como se mostra na figura.

1. a) Calcula o trabalho realizado pelo monta-cargas com $W = F \cdot d$.
2. b) O que aconteceu à energia da caixa ao receber esse trabalho?

Pretende-se aumentar a energia interna de meio litro de água da torneira e surgem duas opções: colocá-la ao lume num tacho ou agitá-la energicamente com uma vareta durante algum tempo.

1. a) Indica de que forma a energia chega à água em cada opção: trabalho ou calor.
2. b) Explica o que Joule demonstrou com experiências deste tipo acerca da relação entre trabalho e calor.

Um sistema recebe $500\ \text{J}$ de trabalho da sua vizinhança e, em simultâneo, liberta $200\ \text{J}$ sob a forma de calor para o ambiente, como se mostra na figura.

1. a) Calcula quanto variou a energia do sistema.
2. b) Explica o significado do sinal do resultado: o sistema termina com mais ou com menos energia?

Num armazém, o Leo arrasta uma caixa pesada pelo chão com uma força constante de $60\ \text{N}$ ao longo de $12\ \text{m}$, mantendo a velocidade sempre constante, como se mostra na figura.

1. a) Calcula o trabalho realizado pelo Leo sobre a caixa.
2. b) Se a caixa não aumenta de velocidade, para onde vai esse trabalho? Justifica com a primeira lei de Newton.

Numa obra existem duas gruas: a grua A eleva uma viga exercendo $400\ \text{N}$ ao longo de $3\ \text{m}$ e a grua B eleva um saco de cimento exercendo $250\ \text{N}$ ao longo de $5\ \text{m}$.

1. a) Calcula o trabalho de cada grua.
2. b) Qual das duas transferiu mais energia? Comenta se a grua que exerce maior força é também a que realiza mais trabalho.

No ginásio, o João levanta um haltere de $20\ \text{kg}$, cujo peso é de cerca de $200\ \text{N}$ (considera $g = 10\ \text{m/s}^2$), desde o chão até $1,5\ \text{m}$ de altura.

1. a) Calcula o trabalho realizado em cada elevação.
2. b) Quanto trabalho acumula numa série de $12$ elevações?
3. c) De onde provém a energia que o João transfere para o haltere?

Tapa a saída de uma seringa com o dedo e empurra o êmbolo com uma força média de $40\ \text{N}$; o êmbolo avança $5\ \text{cm}$, como se mostra na figura.

1. a) Exprime o deslocamento em metros.
2. b) Calcula o trabalho realizado sobre o ar retido com $W = F \cdot d$.
3. c) Prevê o que acontece à temperatura do ar retido e justifica.

Um carro desce uma encosta de montanha de $8\ \text{km}$ com o travão pressionado quase o tempo todo. Na descida, os travões dissipam no total $400\,000\ \text{J}$ distribuídos pelos quatro discos.

1. a) Quanta energia recebe cada disco, admitindo uma distribuição uniforme?
2. b) Essa energia chega aos discos por trabalho ou por calor, e para onde se transfere de seguida?
3. c) Explica por que razão é perigoso abusar do travão em descidas longas e por que motivo o «travão-motor» ajuda, utilizando a ideia de que a energia não desaparece.

Um motor puxa uma caixa sobre um chão rugoso a velocidade constante e realiza um trabalho de $1000\ \text{J}$. Nesse mesmo percurso, o atrito com o solo dissipa $1000\ \text{J}$ sob a forma de calor, como se mostra na figura.

1. a) Quanto aumentou a energia da caixa nesse troço?
2. b) Relaciona o resultado anterior com o facto de a velocidade ser constante.
3. c) Se no mesmo troço o motor tivesse realizado $1300\ \text{J}$ de trabalho, o que teria acontecido à caixa? Quantifica.

Numa experiência clássica como a de Joule, um peso de $4\ \text{kg}$ cai e faz rodar umas pás que agitam a água de um recipiente, como se mostra na figura. Considera $g = 10\ \text{m/s}^2$, de modo que o peso puxa o fio com uma força de $40\ \text{N}$.

1. a) Se o peso descer $1,5\ \text{m}$, calcula o trabalho que realiza sobre as pás numa descida.
2. b) O peso é elevado e largado novamente $25$ vezes. Quanto trabalho foi transferido para a água no total?
3. c) Em que se transformou esse trabalho dentro do recipiente? Explica que equivalência entre trabalho e calor esta experiência ilustra.

Na combustão da gasolina de um depósito são libertados $20\,000\ \text{J}$ de energia química. Destes, as rodas do carro recebem $6000\ \text{J}$ de trabalho útil, como se mostra na figura.

1. a) Calcula quanta energia se perde sob a forma de calor.
2. b) Que percentagem da energia do combustível é aproveitada sob a forma de trabalho?
3. c) Indica por onde se liberta o calor do carro e explica por que razão este balanço não contradiz o primeiro princípio, embora se «perca» energia.

Numa forja, o ferreiro bate num pedaço de ferro em brasa e cada martelada transfere-lhe um trabalho de $150\ \text{J}$. No total dá $40$ golpes.

1. a) Calcula o trabalho total transferido para o ferro.
2. b) Ao terminar, a energia interna do ferro apenas aumentou $3000\ \text{J}$. O que aconteceu com o resto da energia?
3. c) Explica com o primeiro princípio por que razão o ferreiro ouve o golpe e sente calor no rosto ao mesmo tempo.

Durante um determinado intervalo, os painéis solares da Estação Espacial Internacional captam $100\,000\ \text{J}$ de energia solar. Destes, $40\,000\ \text{J}$ alimentam a eletrónica de bordo e $35\,000\ \text{J}$ são armazenados nas baterias.

1. a) Calcula quanta energia é dissipada sob a forma de calor.
2. b) Classifica cada um dos três destinos consoante seja transferência sob a forma de trabalho, de calor ou armazenamento.
3. c) Explica por palavras tuas o que afirma o primeiro princípio da termodinâmica usando este balanço como exemplo.

Ao encher um pneu com uma bomba manual, em cada bombada empurras o êmbolo com uma força média de $60\ \text{N}$ ao longo de $0,3\ \text{m}$.

1. a) Calcula o trabalho de cada bombada e o de $50$ bombadas seguidas.
2. b) Se do total apenas $600\ \text{J}$ aumentam a energia do ar e do tubo, quanta energia foi cedida ao ambiente e sob que forma?
3. c) Explica por que razão o tubo da bomba fica morno ao terminar, mesmo que não o tenhas aproximado de nenhuma fonte de calor.

Dois inventores apresentam as suas máquinas. O inventor A assegura que a sua máquina recebe $600\ \text{J}$ de energia de um combustível e fornece $1000\ \text{J}$ de trabalho. O inventor B afirma que a sua recebe $1000\ \text{J}$ e fornece $700\ \text{J}$ de trabalho, cedendo outros $300\ \text{J}$ sob a forma de calor. Os balanços de cada máquina são mostrados na figura.

1. a) Avalia a máquina do inventor A com o primeiro princípio: é possível? Justifica a resposta com o balanço de energia.
2. b) Faz o mesmo com a máquina do inventor B.
3. c) Enuncia por palavras tuas o primeiro princípio da termodinâmica.