UNICAMP 2010 (2ª fase) — questão 5 de Física

Enunciado em texto
Esta prova aborda fenômenos físicos em situações do cotidiano, em experimentos científicos e em avanços tecnológicos da humanidade. Em algumas questões, como as que tratam de Física Moderna, as fórmulas necessárias para a resolução da questão foram fornecidas no enunciado. Quando necessário use para a aceleração da gravidade na superfície da Terra e .
A Lua não tem atmosfera, diferentemente de corpos celestes de maior massa. Na Terra, as condições propícias para a vida ocorrem na troposfera, a camada atmosférica mais quente e densa que se estende da superfície até cerca de 12 km de altitude.
a) A pressão atmosférica na superfície terrestre é o resultado do peso exercido pela coluna de ar atmosférico por unidade de área, e ao nível do mar ela vale . Na cidade de Campinas, que está a 700 m acima do nível do mar, a pressão atmosférica vale . Encontre a densidade do ar entre o nível do mar e a altitude de Campinas, considerando-a uniforme entre essas altitudes.
b) Numa viagem intercontinental um avião a jato atinge uma altitude de cruzeiro de cerca de 10 km. Os gráficos no espaço de resposta mostram as curvas da pressão (P) e da temperatura (T) médias do ar atmosférico em função da altitude para as camadas inferiores da atmosfera. Usando os valores de pressão e temperatura desses gráficos e considerando que o ar atmosférico se comporta como um gás ideal, encontre o volume de um mol de ar a 10 km de altitude. A constante universal dos gases é .
(Gráficos: dois gráficos lado a lado, ambos com a altitude (km), de 0 a 30, no eixo vertical, e grade de 5 em 5 km. À esquerda, a pressão P (kPa), de 0 a 60, no eixo horizontal, com grade de 10 em 10 kPa: a curva cai com a altitude, passando por 60 kPa a 5 km, por 30 kPa a 10 km, por cerca de 10 kPa a 20 km e chegando perto de 2 kPa a 30 km. À direita, a temperatura T (°C), de −60 a 20, com grade de 10 em 10 °C: a temperatura cai em linha reta de cerca de 2 °C a 2 km até cerca de −57 °C a 11 km, passando por −50 °C a 10 km; fica constante até 20 km e depois sobe em linha reta até cerca de −47 °C a 30 km.)
(Enunciado e figura: Vestibular Unicamp 2010, 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) a densidade média do ar entre o nível do mar e Campinas, a partir da queda de pressão; (b) o volume de 1 mol de ar a 10 km, lendo P e T nos gráficos.
Item (a) — a lei de Stevin: subindo 700 m, “sai de cima” uma coluna de ar de 700 m de altura. A pressão cai exatamente o peso dessa coluna por unidade de área, :
Item (b) — Passo 1, ler os gráficos a 10 km: no gráfico da pressão, a curva passa por kPa; no da temperatura, por °C. Em kelvin:
Passo 2 — a equação dos gases ideais, com mol e tudo no SI ( Pa):
Comparando: ao nível do mar (≈ 100 kPa e ≈ 290 K), um mol de ar ocupa cerca de 24 L. A 10 km, com a pressão três vezes menor, o volume é bem maior, mesmo com o ar mais frio.
⚠️ A armadilha: usar a temperatura em °C na equação dos gases (daria volume negativo) ou deixar a pressão em kPa (o volume sairia mil vezes maior, 61,7 m³). No item (a), esquecer de converter kPa para Pa dá uma densidade mil vezes menor.
A ideia em uma frase: a diferença de pressão entre duas altitudes é o peso da coluna de ar entre elas (ρgh); e na equação PV = nRT a temperatura vai sempre em kelvin.
Resposta: (a) kg/m³; (b) com kPa e K, m³ (≈ 62 L).
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.