UPE 2023 (SSA 2) — questão 26 de Física

Enunciado em texto
Nas questões com respostas numéricas, considere o módulo da aceleração da gravidade como igual a , 1 kcal = 4,2 J, calor específico da água = 1 cal/g°C, calor latente de fusão da água cal/g, calor latente de vaporização da água cal/g, índice de refração do ar , e considere a constante universal dos gases ideais .
Uma caixa térmica de área total , espessura uniforme e igual a 3,0 cm e condutividade térmica igual a 0,01 W/mK é utilizada para evitar o rápido descongelamento de alimentos. Em um experimento de eficiência do isolamento térmico da caixa, preenche-se o seu interior com uma mistura em equilíbrio a 0 °C de água líquida, vapor de água e gelo. Qual é, então, a taxa com que o calor entra na caixa e aquece a mistura em seu interior em um ambiente de 30 °C?
A) 1,0 J/s
B) 3,0 J/s
C) 8,0 J/s
D) 10,0 J/s
E) 12,0 J/s
(Enunciado: SSA 2 — UPE 2023, Sistema Seriado de Avaliação — Universidade de Pernambuco.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade de Pernambuco (UPE).
Resolução comentada
O que a questão pede: o fluxo de calor (energia por segundo) que atravessa as paredes da caixa.
Passo 1 — a temperatura interna fica fixa. Gelo, água e vapor em equilíbrio só coexistem numa temperatura bem definida (praticamente 0 °C). Enquanto houver gelo, o calor que entra só derrete gelo e a temperatura interna não muda. Então a diferença de temperatura entre os lados da parede é constante:
Passo 2 — lei de Fourier. O fluxo de calor por condução numa parede de área , espessura e condutividade é
Passo 3 — números em SI. m.
Conferindo: 1 W = 1 J/s, e as unidades fecham: .
⚠️ A armadilha: deixar a espessura em centímetros (dividir por 3,0): dá 0,08 J/s, que nem aparece; e quem esquece de dividir pela espessura chega a 0,24 J/s. A espessura tem de estar em metros.
A ideia em uma frase: pela lei de Fourier, o fluxo de calor é condutividade vezes área vezes diferença de temperatura, dividido pela espessura.
Resposta: alternativa C (8,0 J/s).
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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