Dois recipientes iguais e contêm, respectivamente, litros e litro de água à temperatura de . Utilizando um aquecedor elétrico de potência constante e mantendo-o ligado durante segundos, aquece-se a água do recipiente até a temperatura de . A seguir, transfere-se litro de água de para , que passa a conter litros de água à temperatura . Essa mesma situação final, para o recipiente , poderia ser alcançada colocando-se litros de água a em e, a seguir, ligando-se o mesmo aquecedor elétrico em , mantendo-o ligado durante um tempo aproximado de
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Análise em relação ao recipiente $A$:
Seja $Pot$ a potência do aquecedor elétrico e $Q_{A}$ o calor que a água do recipiente $A$ recebeu . Sabe-se que $Pot = \dfrac{Q_{A}}{t}$ e $Q_{A} = m_{A} \cdot c_{A} \cdot \Delta T_{A}$ , o calor específico $c_{A}$ da água é igual a $1\text{ kcal}/\text{kg°C}$ , podemos considerar que a massa de água é numericamente igual ao seu volume caso o volume seja medido em litros e a massa de água seja medido em kilogramas.
$Pot = \dfrac{Q_{A}}{t} \implies Q_{A} = Pot \cdot t$
$\therefore$
$Q_{A} = m_{A} \cdot c_{A} \cdot \Delta T_{A} = Pot \cdot t = m_{A} \cdot c_{A} \cdot \Delta T_{A}$
$= Pot \cdot 80 \text{ s} = 2\text{ kg } \cdot (1\text{kcal}/\text{kg°C}) \cdot (60 - 20)°\text{C}$
$\implies \boxed{Pot = 1\text{ kcal} /\text{s}}$
Análise em relação ao recipiente $B$ após ser transferido $1$ litro de água à $60°C$ de $A$ para $B$:
O módulo do calor $Q_{a}$ que a água à $60°C$ transfere para a água à $20°C$ é igual ao módulo do calor $Q_{b}$ recebido pela água à $20°C$ , podemos escrever então que
$|Q_{a}| = |Q_{b}| = m_{a} \cdot c_{A} \cdot \Delta T_{a} = m_{b} \cdot c_{B} \cdot \Delta T_{b} $
$= 1\text{ kg } \cdot (1\text{kcal}/\text{kg °C})\cdot (60\text{°C} - T) = 1\text{ kg } \cdot (1\text{kcal}/\text{kg °C})\cdot (T - 20\text{°C})$
$\implies 60\text{°C} - T = T - 20\text{°C} $
$\implies \boxed{T =40\text{°C}} $
Análise do recipiente $B$ ao conter $2$ litros de água à $20°C$ e que está conectado ao aquecedor elétrico:
Queremos que esses $2$ litros de água receba uma quantidade de calor $Q = Pot \cdot t_{x}$ tal que a sua temperatura final seja igual a $T$.
$Q = m_{B} \cdot c_{B} \cdot \Delta T_{B} = Pot \cdot t_{x} = m_{B} \cdot c_{B} \cdot \Delta T_{B}$
$(1 \text{ kcal} /\text{s}) \cdot t_{x} = 2 \text{ kg} \cdot (1\text{kcal}/\text{kg°C}) \cdot (T - 20°C) $
$= (1 \text{ kcal} /\text{s}) \cdot t_{x}= 2 \text{ kg} \cdot (1\text{kcal}/\text{kg°C}) \cdot (40°C- 20°C) $
$\implies 1 \cdot t_{x} = (2 \cdot (40 - 20))\text{s} = t_{x} = (2 \cdot 20)\text{s}$
$= \boxed{t_{x} = 40\text{ s}}$
$\textbf{Resposta : Alternativa A}$
Observações iniciais:
- farei todas as operações a massa em $\pu{kg}$, o volume em $\pu{L}$, o calor em $\pu{cal}$ e a temperatura em $\pu{°C}$;
- o calor específico da água, nas condições ideais, é de $10^3\frac{\pu{cal}}{\pu{kg°C}}$;
- $1~\pu{L}$ de água corresponde a $1~\pu{kg}$ de massa d'água.
Sendo $Q_A$ o calor necessário para causar a variação $\Delta T = 60 - 20 = 40°\pu{C}$ na temperatura da água, temos que, pela Equação Fundamental da Calorimetria:$$Q_A ~=~ 2\cdot 10^3\cdot 40 ~=~ 80\cdot 10^3$$Sendo $P$ a potência do aquecedor elétrico, temos$$P ~=~ \dfrac{Q_A}{80~\pu{s}} \implies P~=~10^3~\pu{cal/s}$$Uma vez que $1~\pu{L}$ de água, a $60\pu{°C}$, seja transferido em $B$, tem-se$$1\cdot 10^3\cdot (T-60)~+~1\cdot 10^3\cdot (T-20)~=~0 \implies T = 40~\pu{°C}$$Essa mesma temperatura $T$ poderia ser alcançada em $B$ se, inicialmente, ao colocar $2~\pu{L}$ de água a $20~\pu{°C}$ o aquecedor produzisse o calor $Q_B$, tal que$$Q_B~=~2\cdot 10^3\cdot (40-20)~=~40\cdot 10^3$$no tempo $t$, ou seja:$$P~=~\dfrac{Q_B}{t} \implies t~=~\dfrac{Q_B}{P}~=~\dfrac{40\cdot 10^3}{10^3} \implies \boxed{t= 40~\pu{s}}$$$$\bf{Alternativa~(A)}$$