Santa Casa 2019 — questão 69 de Física

Gabarito BEletrodinâmica — potência em resistores em série e em paralelo (aquecimento de água)Medicina · Prova de Conhecimentos Gerais · Versão 1
Enunciado — imagem da prova
Enunciado da questão 69 de Física do Santa Casa 2019

Enunciado em texto

Dois aquecedores elétricos, A e B, que contêm massas diferentes de água, mAm_A e mBm_B, à mesma temperatura inicial, foram montados com quatro resistores idênticos. No aquecedor A, dois desses resistores estão ligados em série. No aquecedor B, os outros dois resistores estão ligados em paralelo. Nos dois casos, os aparelhos são ligados à mesma diferença de potencial, U, constante.

[Figura: “Aquecedor A”: um recipiente largo e baixo com água, com dois resistores em série mergulhados, ligados a uma fonte de tensão U. “Aquecedor B”: um recipiente estreito e alto com água, com dois resistores em paralelo mergulhados, ligados a outra fonte de tensão U. Indicação “fora de escala”.]

Considerando que toda energia térmica dissipada pelos resistores é integralmente absorvida pelas massas de água e sabendo que, uma vez acionados os aquecedores, as respectivas massas de água sofrem a mesma variação de temperatura no mesmo intervalo de tempo, pode-se afirmar que a razão mAmB\dfrac{m_A}{m_B} é igual a

(A) 12\dfrac{1}{2}

(B) 14\dfrac{1}{4}

(C) 18\dfrac{1}{8}

(D) 2

(E) 4

(Enunciado e figura: Vestibular Santa Casa 2019, Prova de Conhecimentos Gerais — FCMSCSP/Vunesp.)

Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Faculdade de Ciências Médicas da Santa Casa de São Paulo (FCMSCSP) e à Fundação VUNESP.

Resolução comentada

O que a questão pede: a razão entre as massas de água, sabendo que as duas esquentam o mesmo tanto no mesmo tempo.

Passo 1 — as resistências equivalentes. Chamando de R cada resistor:

RA=R+R=2RR_A = R + R = 2R

RB=R⋅RR+R=R2R_B = \frac{R \cdot R}{R + R} = \frac{R}{2}

Passo 2 — as potências. Os dois aquecedores estão sob a mesma tensão U, então a forma útil da potência é P=U2/ReqP = U^2/R_{\text{eq}}:

PA=U22RPB=2 U2RP_A = \frac{U^2}{2R} \qquad P_B = \frac{2\,U^2}{R}

Logo PB=4 PAP_B = 4\,P_A: o aquecedor B dissipa quatro vezes mais potência.

Passo 3 — a energia vira calor na água. No mesmo intervalo Δt, cada aquecedor entrega P Δt=m c ΔθP\,\Delta t = m\,c\,\Delta\theta. Com o mesmo Δθ e a mesma água (mesmo c), a massa é proporcional à potência:

mAmB=PAPB=14\frac{m_A}{m_B} = \frac{P_A}{P_B} = \frac{1}{4}

⚠️ A armadilha: pensar que a associação em série, por ter resistência maior, “esquenta mais”, e chegar a mA/mB=4m_A/m_B = 4 (alternativa E). Isso valeria com a mesma corrente (P=R i2P = R\,i^2). Aqui a tensão é a mesma, e com tensão fixa menos resistência significa mais corrente e mais potência.

A ideia em uma frase: com a mesma tensão, P = U²/R: o paralelo (R/2) dissipa quatro vezes mais que a série (2R), e por isso aquece, no mesmo tempo, quatro vezes mais água.

Resposta: alternativa B (14\frac{1}{4}).

Vídeo em breve

A resolução em vídeo desta questão ainda não foi gravada. A explicação escrita acima está completa, passo a passo. Novos vídeos saem no canal do Professor Filatte.

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