FÍSICA 1 - Lista 11 - Trabalho, Potência e Rendimento

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FÍSICA 1 – SARGENTO LISTA 11 – Trabalho, Potência e Rendimento

2- Usando um sistema formado por uma corda e uma roldana, um homem levanta uma caixa de massa m, aplicando na corda uma força F que forma um ângulo θ com a direção vertical, como mostra a figura.

1- A escolha do local para instalação de parques eólicos depende, dentre outros fatores, da velocidade média dos ventos que sopram na região. Examine este mapa das diferentes velocidades médias de ventos no Brasil e, em seguida, o gráfico da potência fornecida por um aerogerador em função da velocidade do vento. O trabalho realizado pela resultante das forças que atuam na caixa (peso e força da corda) quando o centro de massa da caixa é elevado, com velocidade constante v, desde a altura ya até a altura yb, é: a) b) c) d) e)

nulo. F (yb – ya). mg (yb – ya). F cos (θ) (yb – ya). mg (yb – ya) + mv2/2.

3- O que consome mais energia ao longo de um mês, uma residência ou um carro? Suponha que o consumo mensal de energia elétrica residencial de uma família, ER, seja 300kWh (300 quilowatts-hora) e que, nesse período, o carro da família tenha consumido uma energia EC, fornecida por 180 litros de gasolina. Assim, a razão

será,

aproximadamente: (dados: Calor de combustão da gasolina ≈ 30 000kJ/litro e 1 kJ = 1 000J) a) 1/6

De acordo com as informações fornecidas, esse aerogerador poderia produzir, em um ano, 8,8GWh de energia, se fosse instalado no: (Dados: 1 GW = 109W e 1ano = 8 800h) a) b) c) d) e)

b) 1/2

c) 1

d) 3

e) 5

4- No manual fornecido pelo fabricante de uma ducha elétrica de 220V é apresentado um gráfico com a variação da temperatura da água em função da vazão para três condições (morno, quente e superquente). Na condição superquente, a potência dissipada é de 6500W. Considere o calor específico da água igual a 4200J/kgºC e densidade da água igual a 1kg/L.

noroeste do Pará. nordeste do Amapá. sudoeste do Rio Grande do Norte. sudeste do Tocantins. leste da Bahia. Com base nas informações dadas, a potência na condição morno corresponde a que fração da potência na condição superquente? a)

b)

c)

d)

e)

5- Os raios X utilizados para diagnósticos médicos são uma radiação ionizante. O efeito das radiações ionizantes em um indivíduo depende basicamente da dose absorvida, do tempo de exposição e da forma da exposição, conforme relacionados no quadro. Efeitos de uma radioexposição aguda em adulto Dose absorvida menor que 1J/kg

Forma Infraclínica Reações gerais leves

de 1 a 2J/kg

DL50

de 4 a 4,5J/kg

Pulmonar

de 8 a 9J/kg

Cerebral

maior que 10J/kg

Sintomatologia Ausência de sintomas

8- Nos manuais de automóveis, a caracterização dos motores é feita em CV (cavalo-vapor). Essa unidade, proposta no tempo das primeiras máquinas a vapor, correspondia à capacidade de um cavalo típico, que conseguia erguer, na vertical, com auxílio de uma roldana, um bloco de 75kg, à velocidade de 1m/s. Para subir uma ladeira, inclinada como na figura, um carro de 1 000kg, mantendo uma velocidade constante de 15m/s (54km/h), desenvolve uma potência útil que, em CV, é, aproximadamente, de:

Astenia, náuseas e vômito, de 3h a 6h após a exposição Morte de 50% dos indivíduos irradiados Insuficiência respiratória aguda, coma e morte, de 14h a 36h Morte em poucas horas

Disponível em: www.cnen.gov.br. Acesso em: 3 set. 2012 (adaptado).

Para um técnico radiologista de 90kg que ficou exposto, por descuido, durante 5 horas a uma fonte de raios X, cuja potência é de 10mJ/s, a forma do sintoma apresentado, considerando que toda radiação incidente foi absorvida, é: a) b) c) d) e)

DL50. cerebral. pulmonar. infraclínica. reações gerais leves.

6- Pedro mantém uma dieta de 3 000kcal diárias e toda essa energia é consumida por seu organismo a cada dia. Assim, ao final de um mês (30 dias), seu organismo pode ser considerado como equivalente a um aparelho elétrico que, nesse mês, tenha consumido: (Obs: 1kWh é a energia consumida em 1 hora por um equipamento que desenvolve uma potência de 1kW e 1cal ≈ 4J) a) b) c) d) e)

50kWh 80kWh 100kWh 175kWh 225kWh

7- Para reciclar um motor de potência elétrica igual a 200W, um estudante construiu um elevador e verificou que ele foi capaz de erguer uma massa de 80kg a uma altura de 3 metros durante 1 minuto. Considere a aceleração da gravidade 10m/s². Qual a eficiência aproximada do sistema para realizar tal tarefa? a) 10%

b) 20%

c) 40%

d) 50%

e) 100%

a) 20

b) 40

c) 50

d) 100

e) 150

9- Uma análise criteriosa do desempenho de Usain Bolt na quebra do recorde mundial dos 100 metros rasos mostrou que, apesar de ser o último dos corredores a reagir ao tiro e iniciar a corrida, seus primeiros 30 metros foram os mais velozes já feitos em um recorde mundial, cruzando essa marca em 3,78 segundos. Até se colocar com o corpo reto, foram 13 passadas, mostrando sua potência durante a aceleração, o momento mais importante da corrida. Ao final desse percurso, Bolt havia atingido a velocidade máxima de 12m/s. Disponível em: http://esporte.uol.com.br. Acesso em: 5 ago. 2012 (adaptado)

Supondo que a massa desse corredor seja igual a 90kg, o trabalho total realizado nas 13 primeiras passadas é mais próximo de: a) b) c) d) e)

5,4x102J 6,5x103J 8,6x103J 1,3x104J 3,2x104J

10- Num dia em que a temperatura ambiente é de 37ºC, uma pessoa, com essa mesma temperatura corporal, repousa à sombra. Para regular sua temperatura corporal e mantê-la constante, a pessoa libera calor através da evaporação do suor. Considere que a potência necessária para manter seu metabolismo é 120W e que, nessas condições, 20% dessa energia é dissipada pelo suor, cujo calor de vaporização é igual ao da água (540cal/g). Utilize 1cal igual a 4J. Após duas horas nessa situação, que quantidade de água essa pessoa deve ingerir para repor a perda pela transpiração? a) 0,08g

b) 0,44g

c) 1,30g

d) 1,80g

e) 80,0g

11- A utilização de placas de aquecimento solar como alternativa ao uso de energia elétrica representa um importante mecanismo de economia de recursos naturais. Um sistema de aquecimento solar com capacidade de geração de energia de 1,0MJ/dia por metro quadrado de placa foi instalado para aquecer a água de um chuveiro elétrico de potência de 2kW, utilizado durante meia hora por dia. A área mínima da placa solar deve ser de: a) 1,0m²

b) 1,8m²

c) 2,0m²

d) 3,6m²

14- Um carro solar é um veículo que utiliza apenas a energia solar para a sua locomoção. Tipicamente, o carro contém um painel fotovoltaico que converte a energia do Sol em energia elétrica que, por sua vez, alimenta um motor elétrico. A imagem mostra o carro solar Tokai Challenger, desenvolvido na Universidade de Tokai, no Japão, e que venceu o World Solar Challenge de 2009, uma corrida internacional de carros solares, tendo atingido uma velocidade média acima de 100km/h.

e) 6,0m²

12- Durante a primeira fase do projeto de uma usina de geração de energia elétrica, os engenheiros da equipe de avaliação de impactos ambientais procuram saber se esse projeto está de acordo com as normas ambientais. A nova planta estará localizada a beira de um rio, cuja temperatura média da água é de 25ºC, e usará a sua água somente para refrigeração. O projeto pretende que a usina opere com 1,0MW de potência elétrica e, em razão de restrições técnicas, o dobro dessa potência será dissipada por seu sistema de arrefecimento, na forma de calor. Para atender a resolução número 430, de 13 de maio de 2011, do Conselho Nacional do Meio Ambiente, com uma ampla margem de segurança, os engenheiros determinaram que a água só poderá ser devolvida ao rio com um aumento de temperatura de, no máximo, 3ºC em relação à temperatura da água do rio captada pelo sistema de arrefecimento. Considere o calor específico da água igual a 4kJ/ºC. Para atender essa determinação, o valor mínimo do fluxo de água, em kg/s, para a refrigeração da usina deve ser mais próximo de:

Considere uma região plana onde a insolação (energia solar por unidade de tempo e de área que chega à superfície da Terra) seja de 1 000W/m², que o carro solar possua massa de 200kg e seja construído de forma que o painel fotovoltaico em seu topo tenha uma área de 9,0m² e rendimento de 30%. Desprezando as forças de resistência do ar, o tempo que esse carro solar levaria, a partir do repouso, para atingir a velocidade de 108km/h é um valor mais próximo de: a) 1,0s

a) 42

b) 84

c) 167

d) 250

13- Para irrigar sua plantação, um produtor rural construiu um reservatório a 20 metros de altura a partir da barragem de onde será bombeada a água. Para alimentar o motor elétrico das bombas, ele instalou um painel fotovoltaico. A potência do painel varia de acordo com a incidência solar, chegando a um valor de pico de 80W ao meio-dia. Porém, entre as 11 horas e 30 minutos e as 12 horas e 30 minutos, disponibiliza uma potência média de 50W. Considere a aceleração da gravidade igual a 10m/s² e uma eficiência de transferência energética de 100%. Qual é o volume de água, em litros, bombeado para o reservatório no intervalo de tempo citado? a) 150

b) 250

c) 450

d) 900

b) 4,0s

c) 10s

d) 33s

e) 300s

e) 500

e) 1 440

15- A usina de Itaipu é uma das maiores hidrelétricas do mundo em geração de energia. Com 20 unidades geradoras e 14 000MW de potência total instalada, apresenta uma queda de 118,4m e vazão nominal de 690m³/s por unidade geradora. O cálculo da potência teórica leva em conta a altura da massa de água represada pela barragem, a gravidade local (10m/s²) e a densidade da água (1 000kg/m³). A diferença entre a potência teórica e a instalada é a potência não aproveitada. Disponível em: www.itaipu.gov.br. Acesso em: 11 mai. 2013 (adaptado).

Qual e a potência, em MW, não aproveitada em cada unidade geradora de Itaipu? a) b) c) d) e)

0 1,18 116,96 816,96 13.183,04

16- Os fornos domésticos de micro-ondas trabalham com uma frequência de ondas eletromagnéticas que atuam fazendo rotacionar as moléculas de água, gordura e açúcar e, consequentemente, fazendo com que os alimentos sejam aquecidos. Os telefones sem fio também usam ondas eletromagnéticas na transmissão do sinal. As especificações técnicas desses aparelhos são informadas nos quadros 1 e 2, retirados de seus manuais. Quadro 1 – Especificações técnicas do telefone Frequência de operação

2 409,60 MHz a 2 420,70 MHz

Modulação

FM

Frequência

60 Hz

Potência máxima

1,35 W

Quadro 2 – Especificações técnicas do forno de micro-ondas

Capacidade

31 litros

Frequência

60 Hz

Potência de saída

1 000 W

Frequência do micro-ondas

2 450 MHz

Se essas limitações não existissem, os sistemas mostrados na tabela, que mais se beneficiariam de investimentos em pesquisa para terem suas eficiências aumentadas, seriam aqueles que envolvem as transformações de energia: a) mecânica  energia elétrica. b) nuclear  energia elétrica. c) química  energia elétrica. d) química  energia térmica. e) radiante  energia elétrica. 18- O carneiro hidráulico ou aríete, dispositivo usado para bombear água, não requer combustível ou energia elétrica para funcionar, visto que usa a energia da vazão de água de uma fonte. A figura a seguir ilustra uma instalação típica de carneiro em um sítio, e a tabela apresenta dados de seu funcionamento.

O motivo de a radiação do telefone não aquecer como a do micro-ondas é que: a) o ambiente no qual o telefone funciona é aberto. b) a frequência de alimentação é 60 Hz para os dois aparelhos. c) a potência do telefone sem fio é menor que a do forno. d) o interior do forno reflete as micro-ondas e as concentra. e) a modulação das ondas no forno é maior do que no telefone. 17- A eficiência de um processo de conversão de energia, definida como sendo a razão entre a quantidade de energia ou trabalho útil e a quantidade de energia que entra no processo, é sempre menor que 100% devido a limitações impostas por leis físicas. A tabela a seguir, mostra a eficiência global de vários processos de conversão. Tabela - Eficiência de alguns sistemas de conversão de energia

Sistema Geradores elétricos Motor elétrico Fornalha a gás Termelétrica a carvão Usina nuclear Lâmpada fluorescente Lâmpada incandescente Célula solar

Eficiência 70 – 99% 50 – 95% 70 – 95% 30 – 40% 30 – 35% 20% 5% 5 – 28%

HINRICHS, R. A.; KLEINBACH, M. Energia e meio ambiente. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2003 (adaptado).

h/H → altura da fonte dividida pela altura da caixa

Vf → água da fonte necessária para o funcionamento do sistema (litros/hora)

Vb → água bombeada para a caixa (litros/hora)

720 a 1 200

180 a 300 120 a 210 80 a 140 60 a 105 45 a 85

1/3 1/4 1/6 1/8 1/10

A eficiência energética ε de um carneiro pode ser obtida pela expressão:

ε

=

x

cujas variáveis estão definidas na

tabela e na figura. No sítio ilustrado, a altura da caixa d'água é o quádruplo da altura da fonte. Comparado a motobomba a gasolina, cuja eficiência energética é cerca de 36%, o carneiro hidráulico do sítio apresenta: a) menor eficiência, sendo, portanto, inviável economicamente. b) menor eficiência, sendo desqualificado do ponto de vista ambiental pela quantidade de energia que desperdiça. c) mesma eficiência, mas constitui alternativa ecologicamente mais apropriada. d) maior eficiência, o que, por si só, justificaria o seu uso em todas as regiões brasileiras. e) maior eficiência, sendo economicamente viável e ecologicamente correto.

19- O esquema a seguir mostra, em termos de potência (energia/tempo), aproximadamente, o fluxo de energia, a partir de certa quantidade de combustível vinda do tanque de gasolina, em um carro viajando com velocidade constante.

A eficiência de uma usina, do tipo da representada na figura anterior, é da ordem de 0,9, ou seja, 90% da energia da água no início do processo se transforma em energia elétrica. A usina Ji-Paraná, do Estado de Rondônia, tem potência instalada de 512 milhões de watts, e a barragem tem altura de aproximadamente 120m. A vazão do Rio JiParaná, em litros de água por segundo, deve ser da ordem de:

1. Evaporação 1kW 2.

Energia dos hidrocarbonetos não queimados, energia térmica dos gases de escape e transferida ao ar ambiente 56,8kW

3. Luzes, ventilador, hidráulica etc. 2,2kW

gerador,

direção,

bomba

4. Energia térmica 3kW

b) 70%

a) b) c) d) e)

50 500 5.000 50.000 500.000

GABARITO

O esquema mostra que, na queima da gasolina, no motor de combustão, uma parte considerável de sua energia é dissipada. Essa perda é da ordem de: a) 80%

20- Na figura a seguir está esquematizado um tipo de usina utilizada na geração de eletricidade.

c) 50%

d) 30%

e) 20%

1-B

2-A

3-E

4-D

5-E

6-C

7-B

8-A

9-B

10-E

11-D

12-C

13-D

14-D

15-C

16-C

17-E

18-E

19-A

20-E