Atividades de Calor Sensível, Latente e Trocas de Calor para a 1ª série do Ensino Médio com gabarito

Quando ensino calor sensível, calor latente e trocas de calor na 1ª série, procuro aproximar as fórmulas das situações que os estudantes conseguem analisar: aquecer água, comparar materiais isolantes e entender o funcionamento de um aquecedor ou de um coletor solar. Na prática, o desafio não é apenas escolher uma equação. É distinguir o que cada grandeza representa, acompanhar as unidades e explicar para onde a energia está sendo transferida.

As atividades abaixo permitem revisar essas ideias com cálculos graduais e situações de sistemas térmicos. Também incluo, com transparência, dois itens sobre máquinas térmicas e um de circuitos elétricos que aparecem no conjunto validado: eles não avaliam diretamente calor sensível, latente ou trocas de calor, mas podem servir como extensão ou diagnóstico de conhecimentos relacionados à habilidade indicada.

O que o aluno de 1ª série precisa saber sobre Calor Sensível, Latente e Trocas de Calor

O ponto de partida é compreender calor como energia transferida entre sistemas por diferença de temperatura, e não como algo que um corpo simplesmente “tem”. No aquecimento ou resfriamento sem mudança de estado físico, o calor sensível pode ser calculado por Q = m·c·ΔT: massa, calor específico e variação de temperatura determinam a energia envolvida. Durante uma mudança de estado, a temperatura pode permanecer constante enquanto há transferência de energia; nesse caso, usamos Q = m·L, em que L é o calor latente. Em situações de troca, a energia cedida por um sistema pode ser recebida por outro, considerando as condições do problema e eventuais perdas para o ambiente. Também é importante diferenciar energia, medida em joules, de potência ou taxa de transferência, medida em watts: para potência constante, a energia transferida depende do intervalo de tempo. Essas distinções dão sentido às contas e ajudam a interpretar aquecedores, paredes e coletores solares.

O que ele precisa saber antes

Para resolver as questões deste conjunto, os pré-requisitos mais importantes são o cálculo de energia térmica com massa, calor específico e variação de temperatura; a leitura e conversão de unidades, especialmente entre joules e quilowatt-hora; e a compreensão de potência como energia transferida por unidade de tempo. Nos problemas de condução, é preciso reconhecer como área, espessura, condutividade térmica e diferença de temperatura entram na lei de Fourier. Em questões de eficiência, o estudante deve relacionar energia útil e energia recebida, calcular porcentagens e acompanhar a conservação de energia. O conjunto também traz uma questão de circuito elétrico: para ela, os requisitos são lei de Ohm e combinação de resistores em série e paralelo. Esse último item é de eletricidade, não de calor, e convém apresentá-lo como revisão interdisciplinar ou separá-lo da avaliação específica de trocas térmicas.

Onde os alunos mais erram

Nos cálculos térmicos, um erro recorrente apontado pelas questões é misturar grandezas que se relacionam, mas não são iguais. Uma taxa de condução em watts não é a energia total perdida: para encontrar a energia em uma hora, é necessário multiplicar a potência pelo tempo em segundos. Também é comum substituir os valores de área, espessura ou diferença de temperatura sem respeitar a estrutura da fórmula. Na condução, aumentar a espessura reduz a taxa; colocá-la no numerador inverte a relação.

Em aquecedores, coletores e motores, a eficiência ou o COP não deve ser ignorado nem aplicado ao contrário. A questão do aquecedor elétrico mostra o risco de usar a potência nominal em vez da potência útil; a do coletor exige calcular primeiro a energia para aquecer a água e depois a potência útil recebida. O distrator mais provável na questão da parede com dados completos é a alternativa que parte de uma taxa errada e depois converte para energia: vale corrigir as duas etapas, não apenas o resultado final. Em máquinas térmicas, pode haver confusão entre trabalho produzido, calor absorvido e calor rejeitado. Por fim, o item de circuito evidencia um erro distinto: calcular corrente antes de determinar corretamente a resistência equivalente.

Como trabalhar em sala

• Comece pelo significado das grandezas. Antes de substituir números, peça que a turma identifique o que o problema fornece e o que deseja encontrar: energia, taxa, tempo, eficiência ou temperatura. Essa pausa simples ajuda a evitar que watts e joules sejam tratados como equivalentes.
• Monte um roteiro de resolução no quadro. Organize cada problema em dados, fórmula, substituição com unidades e interpretação do resultado. Nos exercícios de aquecimento, use Q = m·c·ΔT; depois, quando houver potência, relacione Q = P·t. Reforce que a variação de temperatura em °C tem o mesmo valor numérico que em kelvin.
• Compare materiais com exemplos acessíveis. Converse sobre por que uma parede mais espessa ou um material de menor condutividade reduz a transferência por condução. Não é necessário montar equipamento: um desenho com duas regiões em temperaturas diferentes permite discutir direção do fluxo e variáveis da lei de Fourier.
• Separe aquecimento de mudança de estado. Faça uma tabela com o que muda em cada processo: no calor sensível, varia a temperatura; na mudança de estado, há transferência de energia associada ao calor latente e, no modelo usual, a temperatura fica constante durante a transformação. A distinção prepara o terreno mesmo quando a lista numérica não traz um cálculo explícito de calor latente.
• Use os erros como conversa de revisão. Em vez de entregar apenas a letra correta, peça que a turma explique por que um distrator parece plausível e qual unidade ou relação revela o problema. Para a questão de circuitos, avise que ela é uma extensão fora do foco térmico antes de aplicá-la.

Questões prontas de Calor Sensível, Latente e Trocas de Calor para a 1ª série do Ensino Médio (com gabarito comentado)

As questões a seguir reproduzem o conjunto fornecido, com notação matemática organizada para facilitar a leitura. Os itens de máquinas térmicas e circuitos são mantidos porque fazem parte da lista validada, mas a questão elétrica deve ser identificada como conteúdo de eletricidade, não como exercício direto de calor.

1. Um motor térmico opera com eficiência de 40% e absorve 1000 J de calor da fonte quente por ciclo. Calcule o calor rejeitado por ciclo.

• ❌ A) 800 J por ciclo. Se o motor rejeitasse 800 J, sobrariam 200 J de trabalho e a eficiência seria 20%, não 40%.
• ❌ B) 1000 J. Igualar o calor rejeitado ao absorvido deixaria trabalho nulo e contrariaria a eficiência informada.
• ✅ C) 600 J. O trabalho é W = η·Qh = 0,4·1000 = 400 J. Como Qh = W + Qc, resulta Qc = 1000 − 400 = 600 J.
• ❌ D) O motor não rejeita calor. Um motor térmico precisa rejeitar parte da energia recebida; não converte todo o calor em trabalho.
• ❌ E) 400 J por ciclo. Esse valor corresponde ao trabalho produzido, não ao calor rejeitado.

Comentário: Esta questão consolida eficiência e balanço de energia em uma máquina térmica. Ela não trata diretamente de calor sensível ou latente, mas ajuda a distinguir calor recebido, trabalho e calor rejeitado.

2. Uma parede tem área A = 10 m², espessura d = 0,10 m e condutividade térmica k = 0,04 W·m⁻¹·K⁻¹. Se a diferença de temperatura entre os lados é ΔT = 20 K, calcule a taxa de perda de calor por condução e a energia perdida em 1 h.

• ❌ A) Energia em 1 h = 1,44×10⁵ J, baseada em 40 W. A taxa de 40 W não resulta da substituição correta dos valores na fórmula.
• ❌ B) 10 W. A conta subestima a taxa; é preciso usar área, diferença de temperatura, condutividade e espessura na expressão fornecida.
• ❌ C) 400 W. O resultado decorre de uma aplicação incorreta da fórmula e não corresponde aos dados.
• ✅ D) Taxa = 80 W; energia em 1 h = 2,88×10⁵ J. A taxa é k·A·ΔT/d = 0,04·10·20/0,10 = 80 W. Em 3600 s, E = P·t = 80·3600 = 288000 J.
• ❌ E) 200 W. Não se obtém esse valor aplicando corretamente a relação de condução; o tempo também não faz a taxa aumentar por si só.

Comentário: O passo didático central é distinguir taxa, em watts, de energia, em joules. Primeiro calculamos a potência térmica; depois multiplicamos pelo intervalo de tempo.

3. Um protótipo de parede isolante tem área A = 2,0 m², espessura d = 0,05 m e condutividade térmica k = 0,04 W·m⁻¹·K⁻¹. Se a temperatura interna é 20 °C e a externa 0 °C, calcule a taxa de perda de calor por condução.

• ❌ A) 8 W. É menor do que o valor obtido ao substituir corretamente a diferença de temperatura e os demais dados.
• ❌ B) 16 W. A conta não representa a combinação indicada de área, espessura e diferença de temperatura.
• ❌ C) 64 W. Superestima a taxa; a substituição correta na lei de condução resulta em valor menor.
• ✅ D) 32 W. ΔT = 20 K e P = k·A·ΔT/d = 0,04·2,0·20/0,05 = 32 W.
• ❌ E) 48 W. Não corresponde ao resultado da aplicação da fórmula aos valores fornecidos.

Comentário: A questão permite revisar que uma diferença de 20 °C tem o mesmo valor numérico de 20 K. Também vale observar que a espessura aparece no denominador.

4. Um aquecedor usa bomba de calor (COP = 3,0) para elevar a temperatura de 120 kg de água em 45 °C. Use c = 4180 J/(kg·K) e calcule a energia elétrica diária consumida, sabendo que Q = m·c·ΔT e Eele = Q/COP.

• ❌ A) 4,0 kWh. O valor não resulta da conversão correta da energia térmica e da divisão pelo COP.
• ❌ B) 5,0 kWh. Supera o consumo calculado quando se considera corretamente o COP informado.
• ❌ C) 3,0 kWh. Não corresponde à energia térmica calculada dividida por COP = 3.
• ✅ D) Aproximadamente 2,09 kWh. Q = 120·4180·45 = 2,2572×10⁷ J. A energia elétrica é Q/3 = 7,524×10⁶ J; dividindo por 3,6×10⁶ J/kWh, obtemos cerca de 2,09 kWh.
• ❌ E) 1,5 kWh. Subestima o resultado e não considera corretamente a energia necessária para aquecer toda a água.

Comentário: O cálculo do calor sensível vem antes da aplicação do COP. Assim, os estudantes não confundem a energia térmica transferida para a água com o consumo elétrico do equipamento.

5. Um aquecedor elétrico de potência P = 1,50 kW e eficiência de 90% aquece 50,0 kg de água de 20 °C a 60 °C. Calcule o tempo necessário. Use c = 4,18×10³ J/(kg·K), E = m·c·ΔT e P útil = P·η.

• ✅ A) 1,72 h, aproximadamente 1 h 43 min. ΔT = 40 K; E = 50·4180·40 = 8,36×10⁶ J. A potência útil é 1500·0,90 = 1350 W. Logo, t = E/Pútil = 6193 s, cerca de 1,72 h.
• ❌ B) 1,00 h. O tempo é curto demais para a energia calculada com a potência útil informada.
• ❌ C) 0,5 h. Subestima o tempo e não contempla toda a energia necessária para elevar a temperatura da água.
• ❌ D) 3,00 h. Superestima o tempo em relação ao quociente entre energia necessária e potência útil.
• ❌ E) 2,5 h. Não corresponde ao cálculo com eficiência de 90% e potência útil de 1350 W.

Comentário: A alternativa correta depende de dois passos separados: encontrar a energia por calor sensível e corrigir a potência pela eficiência. O tempo se obtém dividindo energia por potência.

6. Uma coletora solar de área A = 1,20 m² recebe irradiância I = 800 W/m². A absorvidade é 0,90 e a eficiência útil do sistema é 0,70. Um tanque contém 50 kg de água (c = 4180 J/(kg·K)) e deve ser aquecido em 20 K. Calcule o tempo necessário, em minutos.

• ❌ A) 50 min. Subestima o tempo diante da energia necessária e da potência útil disponível.
• ❌ B) 100 min. É uma aproximação próxima, mas não coincide com o cálculo usando os dados completos.
• ❌ C) 200 min. Superestima o tempo calculado a partir da potência útil do coletor.
• ✅ D) Aproximadamente 115 min, ou 1,92 h. A potência absorvida é 800·1,2·0,9 = 864 W; a útil é 0,70·864 = 604,8 W. A energia necessária é 50·4180·20 = 4,18×10⁶ J. Assim, t = Q/P ≈ 6915 s, cerca de 115 min.
• ❌ E) 30 min. O tempo é curto demais para transferir a energia calculada com essa potência útil.

Comentário: A questão ajuda a separar irradiância, potência absorvida e potência útil. Aplicar a eficiência uma vez à potência absorvida evita confundi-la com a irradiância.

7. Uma fonte ideal de 18,0 V alimenta R1 = 10,0 Ω em série com um ramo paralelo formado por R2 = 15,0 Ω e R3 = 30,0 Ω. Calcule a corrente total e a corrente que percorre R2.

• ❌ A) Itotal = 1,00 A; IR2 = 0,450 A. Os valores não decorrem da resistência equivalente correta do circuito.
• ✅ B) Itotal = 0,900 A; IR2 = 0,600 A. A resistência paralela é 1/(1/15 + 1/30) = 10,0 Ω; em série, Req = 20,0 Ω. Então Itotal = 18/20 = 0,900 A. A tensão no ramo paralelo é 9,0 V e IR2 = 9/15 = 0,600 A.
• ❌ C) Itotal = 1,50 A; IR2 = 1,00 A. A corrente total é incompatível com a resistência equivalente de 20 Ω.
• ❌ D) Itotal = 2,00 A; IR2 = 1,20 A. Há erro na resistência equivalente e na determinação da tensão do ramo.
• ❌ E) Itotal = 0,500 A; IR2 = 0,300 A. Esses valores são baixos demais para a fonte e a resistência equivalente calculadas corretamente.

Comentário: Este é um item de circuitos elétricos, não de calor sensível, latente ou trocas térmicas. Pode ser usado como revisão interdisciplinar de energia e eletricidade, ou retirado de uma prova cujo objetivo seja exclusivamente térmico.

8. Uma máquina térmica recebe 1000 J de calor e realiza 400 J de trabalho. Qual é sua eficiência?

• ❌ A) 20%. A divisão entre trabalho e calor recebido não resulta nesse percentual.
• ❌ B) 30%. Subestima a razão calculada com os dados do enunciado.
• ✅ C) 40%. η = W/Qrecebido = 400/1000 = 0,4, ou 40%.
• ❌ D) 50%. Superestima a eficiência indicada pela razão entre trabalho e calor recebido.
• ❌ E) 60%. Não corresponde ao quociente calculado; eficiência não é obtida por uma escolha aproximada.

Comentário: O item reforça a definição de eficiência e se conecta à questão 1. Ele pode ajudar a verificar se a turma distingue a fração convertida em trabalho da energia que precisa ser rejeitada.

Próximos passos

Ao planejar a avaliação, combine questões numéricas com uma pergunta de explicação: peça ao estudante que interprete o resultado e indique se encontrou energia, potência ou tempo. Para ampliar o trabalho alinhado à habilidade, consulte também as questões da habilidade EM13CNT102. Você pode montar uma lista própria no gerador de provas do GeraProva e começar pelo cadastro grátis.

Use estas questões como ponto de partida e ajuste a seleção ao que sua turma já estudou. No GeraProva, você pode organizar avaliações e revisar os itens antes de aplicar.