UEM 2021 (PAS, etapa 2) — questão 20 de Física

Enunciado em texto
Garrafas térmicas comuns são compostas por uma camada externa de plástico para proteger um recipiente de vidro no qual é feito vácuo. O líquido armazenado fica em contato com uma das paredes desse recipiente evacuado. O vácuo não é perfeito, pois a pressão é de (um vácuo razoável para garrafas térmicas comerciais). As paredes internas e externas do recipiente de vidro são espelhadas. Sabe-se que a condutividade térmica do ar remanescente no recipiente independe da pressão, mas cresce com a temperatura. Supondo que a temperatura ambiente seja 30°C, em uma dessas garrafas coloca-se água a 50°C e, simultaneamente, em outra garrafa semelhante, coloca-se o mesmo volume de água a 10°C, e ambas são fechadas. Com base nessas afirmações, assinale o que for correto.
(01) Os líquidos das duas garrafas atingem a temperatura ambiente ao mesmo tempo.
(02) A troca de calor entre a água e o meio ambiente ocorre essencialmente por convecção.
(04) Mesmo se conseguir um vácuo perfeito (sem partículas no recipiente), ainda assim ocorrerá troca de calor entre a garrafa e o meio ambiente.
(08) As paredes espelhadas do recipiente de vidro evitam troca de calor por irradiação, tanto de dentro para fora, quanto de fora para dentro da garrafa.
(16) Se o volume evacuado é de , o número de mols do gás remanescente à temperatura ambiente no invólucro de vidro é maior que mols.
(Enunciado: PAS UEM 2021, etapa 2 — UEM/CVU.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade Estadual de Maringá (UEM), Comissão Central do Vestibular Unificado (CVU).
Resolução comentada
O que a questão pede: analisar como a garrafa térmica dificulta cada modo de troca de calor.
(01) Falsa. As duas águas estão 20 °C afastadas do ambiente, mas o ar remanescente na garrafa quente fica mais aquecido (entre 30 °C e 50 °C) que na fria (entre 10 °C e 30 °C). Como a condutividade desse ar cresce com a temperatura, a garrafa com água quente troca calor mais depressa. (A radiação, que cresce com , reforça a diferença.) Os tempos não são iguais.
(02) Falsa. Com o gás muito rarefeito entre as paredes, não há correntes de convecção apreciáveis. O que resta é condução (pelo gás residual e pelo gargalo e pela tampa) e radiação, reduzida pelo espelhamento.
(04) Verdadeira. O vácuo perfeito elimina condução e convecção pelo gás, mas não a radiação, que atravessa o vácuo (e o espelhamento não é perfeito). Além disso, há condução pelo vidro do gargalo e pela tampa.
(08) Verdadeira. Superfícies espelhadas refletem a radiação térmica: a parede interna devolve ao líquido o que ele irradia, e a externa reflete a radiação que vem de fora. É essa a função do espelhamento, nos dois sentidos.
(16) Verdadeira. Pela equação de Clapeyron, com atm, L e K:
É mais que mol.
⚠️ A armadilha: na (16), usar 30 em vez de 303 K; a temperatura na equação dos gases é sempre absoluta.
A ideia em uma frase: a garrafa térmica corta a convecção e quase toda a condução com o vácuo, e reduz a radiação com o espelhamento.
Resposta: soma 28 (04 + 08 + 16).
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.
Prefere navegar prova por prova? Abra esta questão no Filatte Resolve.