Atividades de Sistemas Térmicos e Sustentabilidade para a 1ª série do Ensino Médio com gabarito

Quando trabalho Sistemas Térmicos e Sustentabilidade com a 1ª série do Ensino Médio, procuro aproximar as relações físicas de situações reconhecíveis: o resfriamento de um alimento, o isolamento de uma construção e o consumo de aparelhos elétricos. A turma precisa compreender o fenômeno, mas também interpretar as grandezas e fazer escolhas coerentes com os dados do problema.

Na prática, percebo que a conta nem sempre é o maior obstáculo. Conversões de unidades, identificação do que a fórmula representa e leitura cuidadosa do enunciado também pesam. Por isso, reuni atividades com níveis variados de cálculo e gabarito comentado. Elas permitem observar o raciocínio, localizar dúvidas e planejar uma retomada sem reduzir o tema a uma lista de fórmulas.

O que o aluno de 1ª série precisa saber sobre Sistemas Térmicos e Sustentabilidade

Na 1ª série, espero que o estudante reconheça como a energia térmica é transferida e como propriedades dos materiais e condições do sistema alteram essa transferência. Isso envolve interpretar a condução térmica, relacionar condutividade e taxa de calor e compreender que o isolamento reduz perdas, sem significar que o calor desapareça. Também é importante aplicar relações entre potência térmica, área e diferença de temperatura, além de analisar o resfriamento de um corpo em contato com o ambiente. Ao estudar máquinas térmicas, a turma pode calcular a eficiência máxima teórica de Carnot e perceber que ela depende das temperaturas dos reservatórios, expressas em kelvin. A sustentabilidade aparece quando se avaliam eficiência, perdas térmicas e consumo de energia: potência não é o mesmo que energia consumida, pois o tempo de uso também importa. Em problemas quantitativos, cobro unidades consistentes, substituição correta dos dados e interpretação do resultado no contexto apresentado.

O que ele precisa saber antes

As questões pressupõem conhecimentos que vale a pena verificar antes da avaliação. Para os cálculos, os alunos precisam fazer operações com números, reorganizar relações simples e acompanhar uma equação exponencial no caso do resfriamento de Newton. Conversões para o Sistema Internacional aparecem de forma explícita: miliampères para ampères, centímetros quadrados para metros quadrados, watts para quilowatts e segundos para minutos.

Também é útil retomar corrente elétrica e área, potência elétrica e energia consumida, além da leitura das unidades presentes em expressões como W·m⁻²·K⁻¹. No conteúdo térmico, os pré-requisitos incluem condução, cálculo de potência ou taxa de perda de calor, coeficiente global de transferência, eficiência de motores térmicos e ciclo de Carnot. Para a última questão, a turma precisa reconhecer massa, calor específico, coeficiente convectivo e área na expressão do tempo característico. Se esses conceitos ainda não foram apresentados, a questão pode funcionar como diagnóstico ou ser reservada para depois da introdução do modelo.

Onde os alunos mais erram

Nas questões, um erro recorrente é substituir valores sem conferir o que cada símbolo representa. No resfriamento de Newton, isso pode significar trocar a temperatura inicial pela temperatura ambiente ou pela temperatura final. Em cálculos de condução, confundir área, diferença de temperatura ou coeficiente U muda diretamente o resultado. O distrator mais provável de algumas questões explora justamente essa leitura apressada: usar 20 m² em vez de 10 m², por exemplo, ou tratar um valor de U como se fosse outro.

Outro ponto delicado são as conversões. Dividir miliampères ou centímetros quadrados de maneira incorreta pode deslocar o resultado por fatores de dez, cem ou mil. Na questão de consumo, é comum olhar apenas para a potência nominal e não multiplicar pelo tempo de uso; um aparelho de menor potência pode consumir mais energia se ficar ligado por mais horas. Também vale observar o raciocínio sobre eficiência: a fórmula de Carnot exige temperaturas absolutas e não permite concluir que a máquina transforma todo o calor recebido em trabalho. Ao corrigir, peço que a turma explique a unidade e a relação física, além de apontar a alternativa.

Como trabalhar em sala

• Comece com estimativas: antes de fazer as contas, peça que a turma preveja qual material conduz mais calor e qual equipamento terá maior consumo diário. Depois, compare a previsão com os dados e o cálculo.
• Monte um quadro de grandezas: para cada problema, anote símbolo, valor, unidade e o que se pede. Essa organização ajuda a separar área de diferença de temperatura e potência de energia.
• Faça conversões em etapas: proponha que os alunos convertam primeiro as unidades e só depois substituam na fórmula. Na questão de corrente, por exemplo, a conversão da área e da corrente é parte central da resolução.
• Compare cenários térmicos: use os dados das questões sobre teto, parede e viveiro para discutir como a área, o isolamento e a diferença de temperatura afetam a taxa de transferência. Não é necessário equipamento especial: quadro, calculadora e os valores do enunciado bastam.
• Peça uma justificativa curta: além de marcar a resposta, cada estudante explica por que descartou um distrator. A estratégia revela se o erro foi conceitual, de leitura, de unidade ou de cálculo.

As atividades a seguir contemplam a habilidade questões da habilidade EM13CNT102. Você pode aplicá-las como avaliação, exercício orientado ou material de revisão, conforme o momento da sequência didática.

Questões prontas de Sistemas Térmicos e Sustentabilidade para a 1ª série do Ensino Médio (com gabarito comentado)

1. Resfriamento de Newton e temperatura do bolo

Um bolo de chocolate recém-assado, a 70 °C, é colocado em um ambiente cuja temperatura constante é de 20 °C. Suponha que o resfriamento siga a lei de Newton: T(t) = Ta + (T0 − Ta) · e^(−kt), em que T0 é a temperatura inicial, Ta é a temperatura do ambiente, t é o tempo em minutos e k = 0,1 por minuto. Usando ln 5 ≈ 1,61, em quanto tempo, aproximadamente, o bolo atingirá 30 °C?

• ❌ A) 40 minutos. Esse valor não corresponde à aplicação da equação com as temperaturas e o coeficiente fornecidos.
• ❌ B) 10 minutos. É um tempo curto demais para a relação exponencial descrita; não resulta da isolação correta de t.
• ❌ C) 25 minutos. A substituição dos dados não leva a esse valor.
• ✅ D) 16 minutos. Substituindo, 30 = 20 + 50e^(−0,1t); então e^(−0,1t) = 0,2 e −0,1t = ln(0,2) = −ln 5. Assim, t = 1,61/0,1 ≈ 16,1 minutos.
• ❌ E) 7 minutos. Esse resultado não satisfaz a equação para a temperatura final de 30 °C.

Gabarito comentado: o ponto importante é usar 70 °C como temperatura inicial e 20 °C como temperatura ambiente. O bolo chega a 30 °C quando sua diferença em relação ao ambiente é 10 °C.

2. Densidade de corrente e conversão de unidades

Em estimulação transcraniana, uma corrente de 2 mA atravessa um eletrodo de área 1 cm². Qual é a densidade de corrente em A/m²?

• ❌ A) 0,2 A/m². Esse resultado decorre de uma conversão ou divisão incorreta.
• ❌ B) Não pode ser calculada dessa forma. A densidade é calculada pela razão entre corrente e área.
• ✅ C) 20 A/m². A corrente é 0,002 A e 1 cm² = 10⁻⁴ m². Portanto, J = I/A = 0,002/10⁻⁴ = 20 A/m².
• ❌ D) 200 A/m². O valor é dez vezes maior que o resultado das conversões corretas.
• ❌ E) 2 A/m². Não corresponde à divisão da corrente convertida pela área em metros quadrados.

Gabarito comentado: a relação é simples, mas as unidades precisam estar no SI antes da divisão. É uma boa questão para diagnosticar conversões, mesmo quando o foco da sequência está nos sistemas térmicos.

3. Eficiência máxima de um motor térmico

Um motor térmico opera entre reservatórios a Th = 500 K e Tc = 300 K. Calcule a eficiência máxima teórica, segundo o ciclo de Carnot, usando η = 1 − Tc/Th.

• ❌ A) ηmáx = 1 (100%). Esse resultado contradiz a expressão dada, pois Tc/Th não é zero.
• ❌ B) ηmáx = 0,75 (75%). A substituição de 300/500 não produz esse valor.
• ❌ C) ηmáx = 0,20 (20%). A razão entre as temperaturas é 0,6; 1 − 0,6 não é 0,2.
• ❌ D) ηmáx = 0,50 (50%). A subtração foi calculada incorretamente.
• ✅ E) ηmáx = 1 − 300/500 = 0,40 (40%). Como 300/500 = 0,6, a eficiência máxima teórica é 1 − 0,6 = 0,4.

Gabarito comentado: a expressão usa a temperatura fria dividida pela temperatura quente. Aqui os valores já estão em kelvin, unidade adequada para essa relação.

4. Isolamento de um teto e potência de aquecimento

Um teto com área A = 20 m² tem U-valor inicial U1 = 0,8 W·m⁻²·K⁻¹. Após melhorar o isolamento, o U-valor passa para U2 = 0,2 W·m⁻²·K⁻¹. Com ΔT = 15 K entre interior e exterior, calcule a redução da potência de aquecimento necessária. Use P = U·A·ΔT.

• ❌ A) A redução será 240 W, pois o U-valor não afeta a potência inicial. O valor de 240 W é a potência inicial, não a redução.
• ✅ B) Redução de 180 W (de 240 W para 60 W). Inicialmente, P1 = 0,8·20·15 = 240 W. Após o isolamento, P2 = 0,2·20·15 = 60 W. A diferença é 180 W.
• ❌ C) A redução é 120 W, pois o U-valor é sempre metade após a melhoria. A redução deve ser calculada com os dois valores dados, não presumida como metade.
• ❌ D) A potência final é 80 W. Com os valores fornecidos, a potência final calculada é 60 W.
• ❌ E) A redução é 100 W e a potência final, 140 W. Esses valores não resultam de P = U·A·ΔT.

Gabarito comentado: calcule as duas situações separadamente e depois subtraia. O U-valor menor representa menor transferência de calor para a mesma área e diferença de temperatura.

5. Comparação de materiais pela condução térmica

Uma parede de 0,02 m de espessura feita de aço (k = 50 W·m⁻¹·K⁻¹) é substituída por isolamento de mesma espessura com k = 0,05 W·m⁻¹·K⁻¹. Mantendo a mesma área e a mesma diferença de temperatura, qual a razão entre as taxas de condução térmica Q̇ins/Q̇aço? Use Q̇ = k·A·ΔT/L.

• ❌ A) 50. O isolamento tem condutividade menor; a taxa não fica 50 vezes maior.
• ❌ B) 0,01. Embora indique redução, não corresponde à razão entre as condutividades fornecidas.
• ✅ C) 0,001 (1 × 10⁻³). Como área, diferença de temperatura e espessura são iguais, a razão é kins/kaço = 0,05/50 = 0,001.
• ❌ D) 0,05. O valor de k do isolamento sozinho não é a razão entre as taxas; é preciso dividi-lo pelo k do aço.
• ❌ E) 1. A mesma espessura não implica taxas iguais, porque os materiais têm condutividades muito diferentes.

Gabarito comentado: com os outros fatores constantes, a taxa de condução é proporcional a k. O material isolante, neste exemplo, conduz muito menos calor que o aço.

6. Perda de calor em um viveiro

Um pequeno viveiro tem paredes com área total de 10 m² e coeficiente global U = 1,5 W·m⁻²·K⁻¹. Se a diferença de temperatura interna e externa é 15 K, calcule a taxa de perda de calor por condução: P = U·A·ΔT.

• ❌ A) P = 2·10·15 = 300 W. Foi usado 2 no lugar do coeficiente U fornecido, que é 1,5.
• ❌ B) P = 1,5·20·15 = 450 W. A área indicada é 10 m², não 20 m².
• ❌ C) P = 1,5·10·10 = 150 W. A diferença de temperatura é 15 K, não 10 K.
• ❌ D) P = 1,5·5·15 = 112,5 W. A área total informada é 10 m², não 5 m².
• ✅ E) P = 1,5·10·15 = 225 W. Substituindo o coeficiente, a área e a diferença de temperatura, o produto resulta em 225 W.

Gabarito comentado: convém sublinhar cada dado antes da substituição. As unidades do coeficiente U, multiplicadas por área e diferença de temperatura, resultam em watts.

7. Consumo diário e custo mensal de equipamentos

Dois equipamentos elétricos são usados diariamente: A, de 100 W por 8 h/dia, e B, de 60 W por 14 h/dia. Determine qual consome mais energia por dia e calcule o custo mensal, considerando 30 dias e tarifa de R$ 0,50 por kWh.

• ✅ A) A = 0,80 kWh/dia; B = 0,84 kWh/dia; B consome mais. Custo mensal de A = R$ 12,00 e de B = R$ 12,60. Para A: 0,100 kW·8 h = 0,80 kWh. Para B: 0,060 kW·14 h = 0,84 kWh. Multiplicando cada consumo por 30 dias e pela tarifa, obtêm-se os custos indicados.
• ❌ B) A = 1,00 kWh/dia; B = 1,00 kWh/dia. Os produtos entre potência convertida e horas de uso não são iguais a 1,00.
• ❌ C) Custos mensais de R$ 10,00 e R$ 15,00. Esses valores não correspondem aos consumos diários calculados e à tarifa informada.
• ❌ D) A = 0,60 kWh/dia; B = 0,70 kWh/dia. As energias resultam de multiplicações incorretas entre potência e tempo.
• ❌ E) A = 0,50 kWh/dia; B = 0,90 kWh/dia. Os resultados não correspondem a 100 W por 8 horas e 60 W por 14 horas.

Gabarito comentado: potência indica a taxa de uso de energia; para calcular o consumo, é preciso considerar também o tempo. A conversão de watts para quilowatts vem antes do cálculo em kWh.

8. Tempo característico de um cilindro metálico

Um cilindro metálico tem m = 3,00 kg, c = 460 J·kg⁻¹·K⁻¹ e área superficial A = 0,80 m². Em fluxo de ar com coeficiente convectivo h = 25,0 W·m⁻²·K⁻¹, supondo o regime de capacitância concentrada (lumped), calcule o tempo característico t = mc/(hA) em segundos e em minutos.

• ❌ A) t = 150 s. Esse valor não resulta da substituição dos dados na expressão apresentada.
• ❌ B) t = 10 s. É preciso considerar massa, calor específico, coeficiente convectivo e área.
• ❌ C) t = 30 s. A área, por si só, não determina o tempo; a expressão também inclui mc.
• ❌ D) t = 120 s. O resultado não se obtém dos valores fornecidos pela relação t = mc/(hA).
• ✅ E) t = (3,00·460)/(25,0·0,80) = 69,0 s ≈ 1,15 min. O numerador é 1380 e o denominador é 20; a divisão fornece 69 segundos.

Gabarito comentado: depois de calcular em segundos, converta para minutos dividindo por 60. O resultado é aproximadamente 1,15 minuto, não uma regra fixa de aquecimento.

Próximos passos

Use os resultados para decidir o que retomar: conversões, interpretação de fórmulas, condução, eficiência ou consumo. Você também pode adaptar a ordem e o nível de apoio conforme a turma. Para montar uma avaliação com outras questões, conheça o gerador de provas do GeraProva e faça seu cadastro grátis.

Espero que este material ajude a preparar sua aula e a tornar a correção mais formativa. Confira os conteúdos e adapte as atividades ao percurso da sua turma; no GeraProva, você pode criar e organizar novas provas com apoio de IA.