UNICAMP 2007 (2ª fase) — questão 8 de Física

Enunciado em texto
Nas regiões mais frias do planeta, camadas de gelo podem se formar rapidamente sobre um volume de água a céu aberto. A figura abaixo mostra um tanque cilíndrico de água cuja área da base é = 2,0 m², havendo uma camada de gelo de espessura na superfície da água. O ar em contato com o gelo está a uma temperatura , enquanto a temperatura da água em contato com o gelo é .
(Figura: um tanque cilíndrico com área da base A = 2,0 m²; de cima para baixo, ar, uma camada de gelo de espessura e água.)
a) O calor é conduzido da água ao ar através do gelo. O fluxo de calor , definido como a quantidade de calor conduzido por unidade de tempo, é dado por , onde cal/(s cm °C) é a condutividade térmica do gelo. Qual é o fluxo de calor quando = 5,0 cm?
b) Ao solidificar-se, a água a 0 °C perde uma quantidade de calor que é proporcional à massa de água transformada em gelo. A constante de proporcionalidade é chamada de calor latente de solidificação. Sabendo-se que o calor latente de solidificação e a densidade do gelo valem, respectivamente, = 80 cal/g e = 0,90 g/cm³, calcule a quantidade de calor trocado entre a água e o ar para que a espessura do gelo aumente de 5,0 cm para 15 cm.
(Enunciado e figura: Vestibular Unicamp 2007, 2ª fase — Comvest/Unicamp.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à UNICAMP.
Resolução comentada
O que a questão pede: (a) o fluxo de calor através de 5,0 cm de gelo; (b) o calor que a água tem de perder para a camada de gelo engrossar de 5,0 cm para 15 cm.
Item (a) — lei de Fourier, com unidades coerentes. O k está em cal/(s·cm·°C), então a área e a espessura vão em centímetros: A = 2,0 m² = 2,0 × 10⁴ cm². A diferença de temperatura é 0 − (−10) = 10 °C.
Item (b) — Passo 1: quanto gelo se forma. A camada engrossa 15 − 5,0 = 10 cm sobre toda a área:
Passo 2 — o calor latente. A água já está a 0 °C; para virar gelo ela só precisa perder o calor latente:
Esse calor sai da água, atravessa o gelo por condução e vai para o ar.
⚠️ A armadilha: misturar unidades no item (a): usar A = 2,0 (em m²) com k em cal/(s·cm·°C) dá 0,016 cal/s, 10 000 vezes menos. No item (b), usar a espessura final (15 cm) em vez do aumento (10 cm), o que daria 2,2 × 10⁷ cal.
A ideia em uma frase: o fluxo é kAΔT/L com tudo em centímetros; e o calor para engrossar o gelo é a massa da camada nova vezes o calor latente.
Resposta: (a) 1,6 × 10² cal/s; (b) cerca de 1,4 × 10⁷ cal.
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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