Preparando-se para o ENEM

Ciências da Natureza e suas Tecnologias / 2009

Questão 1:
A eficiência de um processo de conversão de energia é definida como a razão entre a produção de energia ou trabalho útil e o total de entrada de energia no processo.
A figura mostra um processo com diversas etapas. Nesse caso, a eficiência geral será igual ao produto das eficiências das etapas individuais. A entrada de energia que não se transforma em trabalho útil é perdida sob formas não utilizáveis (como resíduos de calor).

Aumentar a eficiência dos processos de conversão de energia implica economizar recursos e combustíveis. Das propostas seguintes, qual resultará em maior aumento da eficiência geral do processo?

a) Aumentar a quantidade de combustível para queima na usina de força.
b) Utilizar lâmpadas incandescentes, que geram pouco calor e muita luminosidade.
c) Manter o menor número possível de aparelhos elétricos em funcionamento nas moradias.
d) Utilizar cabos com menor diâmetro nas linhas de transmissão a fim de economizar o material condutor.
e) Utilizar materiais com melhores propriedades condutoras nas linhas de transmissão e lâmpadas fluorescentes nas moradias.

Resolução:

Se o material for melhor condutor de eletricidade, reduzimos as perdas de energia elétrica por Efeito Joule nas linhas de transmissão. Para uma dada potência as lâmpadas fluorescentes são mais eficazes que as incandescentes.

Resposta: E

Questão 2:
O manual de instruções de um aparelho de ar-condicionado apresenta a seguinte tabela, com dados técnicos para diversos modelos:

Considere-se que um auditório possua capacidade para 40 pessoas, cada uma produzindo uma quantidade média de calor, e que praticamente todo o calor que flui para fora do auditório o faz por meio dos aparelhos de ar-condicionado. Nessa situação, entre as informações listadas, aquelas essenciais para se determinar quantos e/ou quais aparelhos de ar-condicionado são precisos para manter, com lotação máxima, a temperatura interna do auditório agradável e constante, bem como determinar a espessura da fiação do circuito elétrico para a ligação desses aparelhos, são

a) vazão de ar e potência.
b) vazão de ar e corrente elétrica - ciclo frio.
c) eficiência energética e potência.
d) capacidade de refrigeração e frequência.
e) capacidade de refrigeração e corrente elétrica – ciclo frio.

Resolução:

A manutenção da temperatura constante da sala depende da capacidade de refrigeração dos aparelhos que, por sua vez, se relaciona com a quantidade de calor liberada pelas 40 pessoas na sala.
Para uma dada fiação, a corrente máxima suportada, sem ocorrer a fusão do material condutor elétrico, depende da espessura do fio (área da seção transversal).
A demonstração desse fato, para um fio de comprimento L, resistividade ρ, submetido a uma tensão elétrica U e atravessado por uma corrente elétrica de intensidade i, é feita a seguir:

1ª Lei de Ohm: R = U/i (I)
2ª Lei de Ohm: R = ρ.L/A (II)

Comparando-se (I) e (II), vem:

U/i = ρ.L/A => i = U.A/ρ.L

Observamos que a intensidade da corrente i é diretamente proporcional à área de seção transversal A.

Resposta: E 

Questão 3: 

O Brasil pode se transformar no primeiro país das Américas a entrar no seleto grupo das nações que dispõem de trens-bala. O Ministério dos Transportes prevê o lançamento do edital de licitação internacional para a construção da ferrovia de alta velocidade Rio-São Paulo.
A viagem ligará os 403 quilômetros entre a Central do Brasil, no Rio, e a Estação da Luz, no centro da capital paulista, em uma hora e 25 minutos. 
Disponível em http://oglobo.globo.com.
Acesso em: 14jul 2009.

Devido à alta velocidade, um dos problemas a ser enfrentado na escolha do trajeto que será percorrido pelo trem é o dimensionamento das curvas. Considerando-se que uma aceleração lateral confortável para os passageiros e segura para o trem seja de 0,1 g, em que g é a aceleração da gravidade (considerada igual a 10 m/s²), e que a velocidade do trem se mantenha constante em todo o percurso, seria correto prever que as curvas existentes no trajeto deveriam ter raio de curvatura mínimo de, aproximadamente,

a) 80 m.
b) 430 m.
c) 800 m.
d) 1.600 m.
e) 6.400 m.

Resolução:

Com os dados fornecidos temos:
Δs = 403 km
Δt = 1h + 25min = 1h + 25/60 min ≅ 1,42 h

Assim:
v = Δs/Δt
v = 403km/1,42h => v ≅ 283,8 km/h => v ≅ 283,8/3,6 m/s ≅ 78,8 m/s

Na curva o trem terá uma aceleração centrípeta de:

a_cp = v²/R = 0,1g = v²/R
0,1.10 = (78,8)²/R
R ≅ 6209 m

Nas alternativas o valor mais próximo é o da alternativa e.

Resposta: E

Questão 4:

A instalação elétrica de uma casa envolve várias etapas, desde a alocação dos dispositivos, instrumentos e aparelhos elétricos, até a escolha dos materiais que a compõem, passando pelo dimensionamento da potência requerida, da fiação necessária, dos eletrodutos*, entre outras.
Para cada aparelho elétrico existe um valor de potência associado. Valores típicos de potências para alguns aparelhos elétricos são apresentados no quadro seguinte:

*Eletrodutos são condutos por onde passa a fiação de uma instalação elétrica, com a finalidade de protegê-la.
 
A escolha das lâmpadas é essencial para obtenção de uma boa iluminação. A potência da lâmpada deverá estar de acordo com o tamanho do cômodo a ser iluminado. O quadro a seguir mostra a relação entre as áreas dos cômodos (em m²) e as potências das lâmpadas (em W), e foi utilizado como referência para o primeiro pavimento de uma residência.

Obs.: Para efeitos dos cálculos das áreas, as paredes são desconsideradas.
Considerando a planta baixa fornecida, com todos os aparelhos em funcionamento, a potência total, em watts, será de

a) 4.070.
b) 4.270.
c) 4.320.
d) 4.390.
e) 4.470.

Resolução: 

(I) Observando-se a planta baixa fornecida, notamos que há em cada um dos cômodos da casa um dos respectivos aparelhos elétricos citados na primeira tabela. Por isso, a potência total requerida pelos
aparelhos é dada pela soma: 
(120 + 3000 + 500 + 200 + 200 + 50)W = 4070 W

(II) Lâmpada exigida na sala:
Área = 3 x 3 (m²) = 9 m² => 100 W

Lâmpada exigida no banheiro:
Área = 1,5 x 2,1 (m²) ≅ 3,1 m² => 60 W

Lâmpada exigida no corredor:
Área = 0,9 x 1,5 (m²) ≅ 1,3 m² => 60 W

Lâmpada exigida no quarto:
Área = 2,8 x 3 (m²) = 8,4 m² => 100 W

A potência total referente às lâmpadas é dada por:
(100 + 60 + 60 + 100)W = 320 W

(III) A potência total instalada na casa é obtida fazendo-se:
(4070 + 320) W = 4390 W

Resposta: D 

Questão 5:

O esquema mostra um diagrama de bloco de uma estação geradora de eletricidade abastecida por combustível fóssil.

vrr

Se fosse necessário melhorar o rendimento dessa usina, que forneceria eletricidade para abastecer uma cidade, qual das seguintes ações poderia resultar em alguma economia de energia, sem afetar a capacidade de geração da usina?

a) Reduzir a quantidade de combustível fornecido à usina para ser queimado.
b) Reduzir o volume de água do lago que circula no condensador de vapor.
c) Reduzir o tamanho da bomba usada para devolver a água líquida à caldeira.
d) Melhorar a capacidade dos dutos com vapor conduzirem calor para o ambiente.
e) Usar o calor liberado com os gases pela chaminé para mover um outro gerador.

Resolução:

A utilização de parte do calor liberado com os gases pela chaminé poderia produzir mais energia elétrica em um segundo gerador. Tal ação aumentaria o rendimento total do sistema, sem alterar a capacidade de
geração do gerador principal.

Resposta: E

Questão 6: 
Umidade relativa do ar é o termo usado para descrever a quantidade de vapor de água contido na atmosfera. Ela é definida pela razão entre o conteúdo real de umidade de uma parcela de ar e a quantidade de umidade que a mesma parcela de ar pode armazenar na mesma temperatura e pressão quando está saturada de vapor, isto é, com 100% de umidade relativa.
O gráfico representa a relação entre a umidade relativa do ar e sua temperatura ao longo de um período de 24 horas em um determinado local.

Considerando-se as informações do texto e do gráfico, conclui-se que

a) a insolação é um fator que provoca variação da umidade relativa do ar.
b) o ar vai adquirindo maior quantidade de vapor de água à medida que se aquece.
c) a presença de umidade relativa do ar é diretamente proporcional à temperatura do ar.
d) a umidade relativa do ar indica, em termos absolutos, a quantidade de vapor de água existente na atmosfera.
e) a variação da umidade do ar se verifica no verão, e não no inverno, quando as temperaturas permanecem baixas.

Resolução:

Do gráfico fornecido verifica-se que a umidade relativa do ar diminuiu com o aumento da temperatura. A insolação ao longo de um dia provoca uma variação da temperatura ambiente e uma consequente variação na umidade relativa do ar.

Resposta: A 

Questão 7:
O ônibus espacial Atlantis foi lançado ao espaço com cinco astronautas a bordo e uma câmera nova, que iria substituir uma outra danificada por um curto-circuito no telescópio Hubble. Depois de entrarem em órbita a 560 km de altura, os astronautas se aproximaram do Hubble. Dois astronautas saíram da Atlantis e se dirigiram ao telescópio.
Ao abrir a porta de acesso, um deles exclamou: “Esse telescópio tem a massa grande, mas o peso é pequeno.”

Considerando o texto e as leis de Kepler, pode-se afirmar que a frase dita pelo astronauta

a) se justifica porque o tamanho do telescópio determina a sua massa, enquanto seu pequeno peso decorre da falta de ação da aceleração da gravidade.
b) se justifica ao verificar que a inércia do telescópio é grande comparada à dele próprio, e que o peso do telescópio é pequeno porque a atração gravitacional criada por sua massa era pequena.
c) não se justifica, porque a avaliação da massa e do peso de objetos em órbita tem por base as leis de Kepler, que não se aplicam a satélites artificiais.
d) não se justifica, porque a força-peso é a força exercida pela gravidade terrestre, neste caso, sobre o telescópio e é a responsável por manter o próprio telescópio em órbita.
e) não se justifica, pois a ação da força-peso implica a ação de uma força de reação contrária, que não existe naquele ambiente. A massa do telescópio poderia ser avaliada simplesmente pelo seu volume.

Resolução:

A força que mantém o satélite em órbita é a força gravitacional que a Terra exerce sobre o telescópio. Um corpo em órbita, está em uma constante “queda livre” (a = g). Nessa situação seu peso aparente é nulo. Por isso os astronautas, no interior de uma nave, flutuam.

Resposta: D 

Questão 8:
É possível, com 1 litro de gasolina, usando todo o calor produzido por sua combustão direta, aquecer 200 litros de água de 20°C a 55°C. Pode-se efetuar esse mesmo aquecimento por um gerador de eletricidade, que consome 1 litro de gasolina por hora e fornece 110 V a um resistor de 11 Ω, imerso na água, durante um certo intervalo de tempo. Todo o calor liberado pelo resistor é transferido à água.
Considerando que o calor específico da água é igual a 4,19 J.g^-1.°C^-1, aproximadamente qual a quantidade de gasolina consumida para o aquecimento de água obtido pelo gerador, quando comparado ao obtido a partir da combustão?
a) A quantidade de gasolina consumida é igual para os dois casos.
b) A quantidade de gasolina consumida pelo gerador é duas vezes maior que a consumida na combustão.
c) A quantidade de gasolina consumida pelo gerador é duas vezes menor que a consumida na combustão.
d) A quantidade de gasolina consumida pelo gerador é sete vezes maior que a consumida na combustão.
e) A quantidade de gasolina consumida pelo gerador é sete vezes menor que a consumida na combustão.

Resolução:

Quantidade de calor necessária para aquecer a água:
Q = m.c.Δθ
Q = 200.(4,19.10³). 35 (J)
Q = 29330.10³ J

Potência elétrica do gerador:
P = U²/R => P = (110)²/11 (W)
P = 1100 W

Sendo:

P = Q/Δt => Δt = Q/P
Δt = 29330.10/1100 (s)
Δt = 26663 s ≅ 7,4 h

O consumo de gasolina no gerador será da ordem de 7 litros.

Resposta: D 

Questão 9:
O progresso da tecnologia introduziu diversos artefatos geradores de campos eletromagnéticos. Uma das mais empregadas invenções nessa área são os telefones celulares e smartphones. As tecnologias de transmissão de celular atualmente em uso no Brasil contemplam dois sistemas. O primeiro deles é operado entre as frequências de 800 MHz e 900 MHz e constitui os chamados sistemas TDMA/CDMA. Já a tecnologia GSM, ocupa a frequência de 1.800 MHz.
Considerando que a intensidade de transmissão e o nível de recepção “celular” sejam os mesmos para as tecnologias de transmissão TDMA/CDMA ou GSM, se um engenheiro tiver de escolher entre as duas tecnologias para obter a mesma cobertura, levando em consideração apenas o número de antenas em uma região, ele deverá escolher:

a) a tecnologia GSM, pois é a que opera com ondas de maior comprimento de onda.
b) a tecnologia TDMA/CDMA, pois é a que apresenta Efeito Doppler mais pronunciado.
c) a tecnologia GSM, pois é a que utiliza ondas que se propagam com maior velocidade.
d) qualquer uma das duas, pois as diferenças nas frequências são compensadas pelas diferenças nos comprimentos de onda.
e) qualquer uma das duas, pois nesse caso as intensidades decaem igualmente da mesma forma independentemente da frequência.

Resolução:

A intensidade de onda I é inversamente proporcional ao quadrado da distância x do telefone celular à antena, conforme a expressão:

I = P/4πx²
P => potência da fonte
x => distância relativa à fonte

Assim, considerando-se a mesma intensidade de transmissão, as frequências correspondentes às tecnologias TDMA/CDMA e GSM diminuem igualmente à medida que aumenta a distância à antena transmissora.

Resposta: E 

Questão 10:
O Sol representa uma fonte limpa e inesgotável de energia para o nosso planeta. Essa energia pode ser captada por aquecedores solares, armazenada e convertida posteriormente em trabalho útil. Considere determinada região cuja insolação – potência solar incidente na superfície da Terra – seja de 800 watts/m². Uma usina termossolar utiliza concentradores solares parabólicos que chegam a dezenas de quilômetros de extensão. Nesses coletores solares parabólicos, a luz refletida pela superfície parabólica espelhada é focalizada em um receptor em forma de cano e aquece o óleo contido em seu interior a 400°C. O calor desse óleo é transferido para a água, vaporizando-a em uma caldeira. O vapor em alta pressão movimenta uma turbina acoplada a um gerador de energia elétrica.
Considerando que a distância entre a borda inferior e a borda superior da superfície refletora tenha 6 m de largura e que focaliza no receptor os 800 watts/m² de radiação provenientes do Sol, e que o calor específico da água é 1 cal.g^-1.°C^-1 = 4.200 J.kg^-1.°C-1, então o comprimento linear do refletor parabólico necessário para elevar a temperatura de 1 m³ (equivalente a 1 t) de água de 20 °C para 100 °C, em uma hora, estará entre

a) 15 m e 21 m.
b) 22 m e 30 m.
c) 105 m e 125 m.
d) 680 m e 710 m.
e) 6.700 m e 7.150 m.

Resolução:

Da equação fundamental da calorimetria:
Q = m.c.Δθ
Q = 1000.4200.80 (J)
Q = 336.10⁶ J

A potência P será dada por:
P = Q/Dt = 336.10⁶J/3600s
P = 9,3.10⁴ W

Para uma largura de 6m e comprimento linear x, temos uma área A = 6x:

1 m² ........................... 800W
6x m² ......................... 9,3.10⁴
6x = 9,3.10⁴/800

x ≅ 19 m

Resposta: A