Atividades de Calor Sensível, Latente e Trocas de Calor para a 3ª série do Ensino Médio com gabarito

Quando trabalho calor sensível, calor latente e trocas de calor com a 3ª série, procuro deixar muito clara a diferença entre variar a temperatura e mudar de estado físico. Os estudantes encontram situações familiares — aquecer água, derreter um material ou comparar coberturas —, mas precisam traduzir cada contexto para uma relação física e cuidar das unidades e dos dados do problema.

Na prática, alterno explicações curtas, leitura atenta de enunciados e resolução comentada. As questões a seguir ampliam esse trabalho com condução térmica, calor específico, armazenamento por fusão e alguns problemas de termodinâmica relacionados à habilidade EM13CNT102. Há itens de diferentes níveis, úteis para diagnosticar estratégias e retomar conceitos antes de uma avaliação.

O que o aluno de 3ª série precisa saber sobre Calor Sensível, Latente e Trocas de Calor

Para resolver problemas desse tema, o aluno precisa distinguir calor, que é energia transferida por diferença de temperatura, de temperatura, que descreve o estado térmico do corpo. Quando há variação de temperatura sem mudança de estado, usamos o modelo do calor sensível, Q = mcΔT: m é a massa, c é o calor específico e ΔT é a diferença entre temperatura final e inicial. Durante uma mudança de estado, em condições apropriadas, a temperatura pode permanecer constante enquanto há transferência de energia; nesse caso, usamos Q = mL, em que L é o calor latente. Também é importante interpretar trocas de calor entre corpos, acompanhar sinais e unidades e reconhecer mecanismos como condução. Na condução através de uma camada, a lei de Fourier relaciona fluxo, condutividade, área, diferença de temperatura e espessura. Em todos esses casos, a escolha da relação depende do processo descrito: aquecimento, mudança de fase ou transferência através de um material.

O que ele precisa saber antes

Nas questões desta seleção, os pré-requisitos incluem interpretar variação de temperatura como ΔT = Tf − Ti, substituir valores em fórmulas e operar com unidades do Sistema Internacional. Para calor sensível, convém reconhecer massa, calor específico e energia; para calor latente, compreender a fusão e a relação entre energia, massa e calor latente. Na condução, é preciso saber como a condutividade térmica e a espessura influenciam o fluxo de calor.

Os itens também percorrem conteúdos de termodinâmica: temperatura absoluta em kelvin, razões e porcentagens, rendimento de motores térmicos, primeira lei, entropia em processos reversíveis e relações entre temperatura e volume numa compressão adiabática. Como essa seleção mistura conceitos próximos do eixo de energia, vale explicitar aos estudantes quando uma questão deixa o calorimetria e passa a exigir outro modelo. Assim, a prática não transforma assuntos diferentes em sinônimos.

Onde os alunos mais erram

Um erro recorrente nas questões de calor sensível é somar as temperaturas inicial e final em vez de calcular a diferença. Também pode faltar um fator essencial, como o calor específico, ou ser usada uma variação de temperatura incompatível com os dados. Na questão da água, por exemplo, 100 °C − 20 °C corresponde a 80 K de variação, não a 120 K. A temperatura final de 100 °C não deve ser confundida com uma variação de 100 graus.

Na questão de condução, o distrator mais provável compara os materiais sem considerar a espessura. A cobertura com menor condutividade não basta, por si só, para concluir qual tem menor fluxo: é preciso comparar k/L, pois área e diferença de temperatura são iguais. Outros distratores usam a espessura de uma cobertura no cálculo de outra ou deslocam a vírgula. Para calor latente, a dificuldade está em isolar a massa na relação Q = mL e manter coerentes os fatores de potência de dez.

Nos itens de motores, aparecem confusões entre calor recebido, calor rejeitado e trabalho. Um rendimento maior que 100%, uma soma de calor e trabalho ou a inversão de uma razão são sinais de que a definição precisa ser retomada. Já na compressão adiabática, o estudante precisa acompanhar o expoente e a razão entre volumes, em vez de escolher um resultado apenas pela aparência. Peço que justifiquem a fórmula antes de fazer a conta: esse passo costuma revelar o raciocínio que levou ao erro.

Como trabalhar em sala

• Comece pela previsão: apresente um problema de aquecimento e peça que a turma identifique se a situação envolve mudança de temperatura ou mudança de estado. Só depois formalize Q = mcΔT ou Q = mL.
• Organize os dados: antes de calcular, monte com a turma uma tabela com grandezas, valores e unidades. Marque Ti, Tf e ΔT separadamente e confira se a massa está em quilogramas quando a unidade do calor específico exige isso.
• Compare materiais: use os dados da questão das coberturas para discutir a lei de Fourier. Como área e diferença de temperatura são iguais, peça que comparem k/L; isso ajuda a evitar a comparação isolada de condutividades.
• Faça análise de distratores: em vez de apenas informar a letra correta, escolha uma alternativa incorreta e peça que os alunos reconstruam o cálculo que poderia produzi-la. Depois, identifiquem exatamente a etapa em que a estratégia falha.
• Separe os modelos: ao chegar a rendimento, Carnot ou compressão adiabática, indique que são aplicações de termodinâmica, não fórmulas de calorimetria. A turma pode classificar cada enunciado pelo processo físico antes de resolver.

As propostas não exigem materiais caros: quadro, calculadora básica e situações numéricas já permitem exercitar interpretação e estimativa. Para ampliar o banco de itens alinhados, consulte também as questões da habilidade EM13CNT102.

Questões prontas de Calor Sensível, Latente e Trocas de Calor para a 3ª série do Ensino Médio (com gabarito comentado)

As questões abaixo foram organizadas com alternativas e explicações. Antes de mostrar o gabarito, você pode pedir que a turma registre a fórmula escolhida e uma estimativa do resultado.

1. Condução térmica em coberturas

Em levantamento recente sobre o efeito ilha de calor em grandes cidades brasileiras, pesquisadores mensuraram a transferência de calor por condução em três tipos de revestimento de cobertura. Foram considerados: chapas metálicas de alumínio (k = 205 W/m·K, L = 0,001 m); telhas de cerâmica (k = 1,5 W/m·K, L = 0,02 m); e cobertura verde composta por solo e vegetação (k = 0,25 W/m·K, L = 0,10 m). Em todas as medições, adotou-se área de 6 m² e diferença de temperatura de 25 K entre o interior e o exterior do edifício. Para quantificar o fluxo de calor, utilizou-se a lei de Fourier Q = k·A·ΔT/L. Qual revestimento apresenta menor fluxo de calor?

• ✅ A) A cobertura de solo e vegetação. Correta: Q = 0,25 × 6 × 25 / 0,10 = 3750 W, menor que os valores das outras coberturas.
• ❌ B) Chapas metálicas de alumínio. Incorreta: o cálculo dá 3 075 000 W, o maior fluxo entre os três materiais, não o menor.
• ❌ C) Fluxo de 37,5 W para a cobertura de solo e vegetação. Incorreta: esse resultado usa 10 m como espessura, mas a cobertura tem 0,10 m.
• ❌ D) Fluxo de 3 750 000 W para a cobertura de solo e vegetação. Incorreta: esse cálculo usa 0,001 m, espessura das chapas de alumínio, em vez de 0,10 m.
• ❌ E) Telhas de cerâmica. Incorreta: o fluxo calculado é 112 500 W, maior que o da cobertura de solo e vegetação.

Comentário: Como área e diferença de temperatura são iguais, compare k/L. A espessura importa tanto quanto a condutividade na comparação.

2. Eficiência máxima de um ciclo de Carnot

Um ciclo de Carnot opera entre Th = 600 K e Tc = 300 K. Qual é a eficiência máxima teórica? Use ηc = 1 − Tc/Th.

• ✅ A) ηc = 1 − 300/600 = 0,5 = 50%. Correta: a substituição na expressão de Carnot resulta em eficiência de 0,5.
• ❌ B) ηc = 1 + Tc/Th = 1,5 = 150%. Incorreta: usa adição; a fórmula exige subtração.
• ❌ C) ηc = Tc/(Th − Tc) = 1 = 100%. Incorreta: essa razão não é a expressão da eficiência de Carnot.
• ❌ D) ηc = Th/Tc = 2 = 200%. Incorreta: inverte a razão e não corresponde à fórmula.
• ❌ E) ηc = Tc − Th = −300. Incorreta: uma diferença de temperaturas não é a eficiência, que é uma razão adimensional.

Comentário: O item revisa temperatura absoluta e razões. A eficiência máxima depende da diferença relativa entre os reservatórios, conforme a expressão indicada.

3. Trabalho e entropia em um motor reversível

Um motor térmico reversível absorve Qin = 2000 J de um reservatório a Th = 500 K e rejeita calor a Tc = 300 K. Determine o trabalho W realizado e a variação total de entropia do conjunto.

• ❌ A) W = Qin − Qout = 2000 − 300 = 1700 J. Incorreta: subtrai uma temperatura, 300 K, como se fosse calor em joules.
• ✅ B) W = 2000·(1 − 300/500) = 800 J; ΔStotal = 0. Correta: o rendimento reversível é 1 − Tc/Th = 0,4; o trabalho é 0,4 × 2000 J. Para o conjunto em processo reversível, a variação total de entropia é zero.
• ❌ C) ΔStotal = W/Tc = 800/300 = 2,67 J/K. Incorreta: trabalho dividido pela temperatura fria não determina a variação total de entropia do processo.
• ❌ D) ΔStotal = 2000/Tc = 6,67 J/K. Incorreta: essa conta não representa a variação total de entropia do conjunto.
• ❌ E) W = Qin + Qout = 2300 J. Incorreta: o trabalho não é calculado somando o calor recebido a uma temperatura.

Comentário: Além de checar as unidades, é importante distinguir a eficiência do motor da variação de entropia do conjunto reversível.

4. Rendimento térmico de um motor

Um motor térmico recebe 500 J de calor da fonte quente e realiza 150 J de trabalho. Calcule o rendimento térmico η do motor.

• ❌ A) η = 150 J / 1000 J = 0,15 = 15%. Incorreta: o calor recebido é 500 J, não 1000 J.
• ❌ B) η = 150 J / 600 J = 0,25 = 25%. Incorreta: usa 600 J como calor recebido, valor que não aparece no enunciado.
• ❌ C) η = 500 J / 150 J = 3,33 = 333%. Incorreta: inverte trabalho e calor recebido e obtém rendimento acima de 100%.
• ✅ D) η = 150 J / 500 J = 0,30 = 30%. Correta: η = W/Qin; a divisão do trabalho pelo calor recebido resulta em 0,30.
• ❌ E) η = (500 J − 150 J) / 500 J = 0,70 = 70%. Incorreta: essa operação calcula uma fração diferente, não o rendimento definido por W/Qin.

Comentário: Ajuda pedir aos alunos que identifiquem primeiro o trabalho e o calor de entrada, evitando trocar numerador e denominador.

5. Calor sensível para aquecer água

Uma chaleira elétrica aquece m = 0,500 kg de água de 20 °C a 100 °C. Calcule a energia Q necessária usando Q = mcΔT, com c = 4,18 × 10³ J·kg⁻¹·K⁻¹.

• ❌ A) Q = 0,500·4,18×10³·(100+20) = 8,35×10⁵ J. Incorreta: soma as temperaturas; ΔT é 100 − 20, ou 80 K.
• ❌ B) Q = m(100−20) = 40 J. Incorreta: omite o calor específico c.
• ❌ C) Q = 0,500·4,18×10³·(100−0) = 2,09×10⁵ J. Incorreta: considera uma temperatura inicial de 0 °C, mas a água começa a 20 °C.
• ❌ D) Q = 0,500·4,18×10³·(80−20) = 1,25×10⁵ J. Incorreta: subtrai novamente 20 °C de 80; a variação já é 80 K.
• ✅ E) Q = 0,500·4,18×10³·(100−20) = 1,67×10⁵ J. Correta: ΔT = 80 K e Q = 0,5 × 4180 × 80 = 167 200 J, aproximadamente 1,67×10⁵ J.

Comentário: O resultado representa a energia absorvida pela água no modelo apresentado, sem considerar perdas para a chaleira ou para o ambiente.

6. Temperatura final em uma compressão adiabática

Em um pistão que aciona um gerador há 1,0 mol de um gás diatômico (γ = 1,4). O gás sofre compressão adiabática reversível de V₁ = 4,0×10⁻³ m³ até V₂ = 1,0×10⁻³ m³, com T₁ = 300 K. Calcule T₂ usando T₂ = T₁·(V₁/V₂)^(γ−1).

• ✅ A) T₂ ≈ 5,22×10² K (≈522 K). Correta: T₂ = 300·(4)⁰·⁴ ≈ 300·1,741 ≈ 522 K.
• ❌ B) T₂ = 400 K (sem alteração de temperatura). Incorreta: não representa o resultado da relação dada; numa compressão adiabática reversível, o volume menor leva a uma temperatura maior neste modelo.
• ❌ C) T₂ = 600 K (valor excessivo). Incorreta: é superior ao valor obtido substituindo os dados na expressão.
• ❌ D) T₂ = 200 K (redução não plausível). Incorreta: contradiz o cálculo e prevê redução de temperatura apesar da compressão descrita.
• ❌ E) T₂ = 800 K (inviável para a compressão). Incorreta: é muito maior que o resultado calculado pela relação entre volumes e temperaturas.

Comentário: A aplicação direta da fórmula dá cerca de 522 K. É importante notar que a explicação do item precisa ser coerente com a própria relação: nessa compressão, T₂ é maior que T₁.

7. Elevação de temperatura por energia absorvida

Um aparelho de ablação por micro-ondas usado em procedimentos experimentais entrega potência elétrica P = 10,0 W por 30,0 s sobre um pequeno volume de tecido que absorve 40% da potência. Massa do volume m = 0,020 kg; calor específico c = 4180 J·kg⁻¹·K⁻¹ (água). Calcule a elevação de temperatura ΔT = (P·η·t)/(m·c). Use unidades SI.

• ❌ A) ΔT ≈ 6,00 K (≈6,00 °C). Incorreta: superestima a energia absorvida e não aplica corretamente a fração de 40%.
• ❌ B) ΔT ≈ 0,72 K (≈0,72 °C). Incorreta: resulta de um cálculo incorreto da energia absorvida.
• ✅ C) ΔT ≈ 1,44 K (≈1,44 °C). Correta: Q = 10 × 0,4 × 30 = 120 J; então ΔT = 120/(0,020 × 4180) ≈ 1,44 K.
• ❌ D) ΔT ≈ 2,00 K (≈2,00 °C). Incorreta: não corresponde ao cálculo com a energia absorvida e a capacidade térmica informadas.
• ❌ E) ΔT ≈ 3,00 K (≈3,00 °C). Incorreta: desconsidera adequadamente a fração de potência absorvida e leva a um valor elevado.

Comentário: O passo decisivo é encontrar primeiro a potência efetivamente absorvida, ou a energia transferida, antes de aplicar Q = mcΔT.

8. Calor latente e armazenamento por fusão

Um coletor solar armazenou Q = 3,00×10⁶ J de energia térmica durante o dia. Pretende-se guardar essa energia usando parafina com calor latente L = 1,70×10⁵ J·kg⁻¹. Qual massa mínima de parafina é necessária para armazenar Q? Considere apenas a fusão como armazenamento: Q = m·L.

• ❌ A) m = 10,0 kg. Incorreta: subestima a massa; não satisfaz a divisão entre a energia disponível e o calor latente informado.
• ✅ B) m = 17,6 kg. Correta: m = Q/L = 3,00×10⁶ / 1,70×10⁵ ≈ 17,647 kg, ou aproximadamente 17,6 kg.
• ❌ C) m = 15,0 kg. Incorreta: não corresponde à razão Q/L para os dados do enunciado.
• ❌ D) m = 5,0 kg. Incorreta: é muito inferior à massa necessária para armazenar a energia indicada.
• ❌ E) m = 20,0 kg. Incorreta: não é o resultado do cálculo; a massa obtida é aproximadamente 17,6 kg.

Comentário: Este é um exemplo direto de calor latente: a energia transferida promove a fusão, e a temperatura não é a grandeza que determina a massa neste modelo.

Próximos passos

Use as questões como diagnóstico ou como parte de uma lista, escolhendo a ordem conforme o que a turma já estudou. Você também pode montar uma avaliação com itens de calorimetria e termodinâmica separados por objetivo. Para criar e organizar provas, acesse o gerador de provas do GeraProva ou faça seu cadastro grátis.

As questões e comentários são um ponto de partida; adapte a seleção ao percurso da sua turma e confira as convenções usadas em aula. Experimente o GeraProva para preparar atividades e avaliações com mais praticidade.