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Exercícios sobre a Lei de Joule

Esta lista de exercícios trata da Lei de Joule, uma relação matemática que descreve a conversão de energia elétrica em energia térmica pela passagem da corrente elétrica.

  • Questão 1

    Um ebulidor ligado com uma corrente elétrica de 3 A é mergulhado durante 10 minutos em um recipiente com 500 ml água pura e destilada (dágua = 1 kg/L), sendo a resistência elétrica do ebulidor igual a 10 Ω. Assinale a alternativa que apresenta, aproximadamente, a elevação de temperatura sofrida pela água nesse intervalo de tempo.

    Dados:

    Calor específico da água = 1,0 cal/gºC, 1 cal = 4,2 J.

    a) 10 ºC

    b) 12 ºC

    c) 25 ºC

    d) 100 ºC

    e) 1º C

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  • Questão 2

    Um resistor de 20 Ω é percorrido por uma corrente elétrica de 10 A durante 30 segundos. Assinale a alternativa que indica a quantidade de energia elétrica, em Joules, convertida em calor pelo efeito Joule.

    a) 3000 J

    b) 60000 J

    c) 200 J

    d) 4000 J

    e) 60 J

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  • Questão 3

    Assinale a alternativa falsa relativa à frase a seguir:

    Se um fio condutor de resistência elétrica não nula for ultrapassado por uma corrente elétrica:

    a) parte da energia cinética dos elétrons será transferida aos átomos da rede cristalina do material, causando um aumento de temperatura.

    b) em temperaturas muito altas, os materiais condutores podem incandescer, passando a emitir luz visível e calor pelo efeito Joule.

    c) a quantidade de energia dissipada em forma de calor é diretamente proporcional à resistência elétrica do material.

    d) a quantidade de energia dissipada em forma de calor é diretamente proporcional ao quadrado da corrente elétrica formada no material.

    e) não haverá dissipação de energia em forma de calor, uma vez que os elétrons não encontram nenhuma forma de oposição à sua condução.

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  • Questão 4

    Entre as alternativas a seguir, relacionadas ao efeito Joule, somente uma é falsa. Assinale-a.

    a) O módulo da quantidade de calor (Q), em Joules, dissipado por meio do efeito Joule é diretamente proporcional ao quadrado da corrente elétrica (i) em Amperes.

    b) O módulo da quantidade de calor (Q) dissipado em materiais condutores ou isolantes é inversamente proporcional ao módulo da resistência elétrica (R) desse material.

    c) O módulo da energia elétrica (E) dissipada em forma de calor tem proporcionalidade direta com a potência elétrica dissipada em materiais percorridos por uma corrente elétrica (i).

    d) Se um material é capaz de dissipar mais energia elétrica (E) em forma de calor (Q) do que outros materiais, maior é a sua resistência elétrica (R).

    e) A quantidade de calor (Q) dissipado em um material percorrido por uma corrente elétrica (i) é diretamente proporcional ao tempo de passagem (t) dessa corrente elétrica (i).

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Respostas

  • Resposta Questão 1

    Letra A

    Para fazer esse exercício, usamos as seguintes relações:

    A definição de potência:

    Em seguida, precisamos lembrar que a energia (E) consumida pelo ebulidor é o calor (Q), que pode ser calculado pela equação fundamental da calorimetria:

    Dessa forma, igualando a quantidade de Energia com a quantidade de calor:

    Sendo Δt o intervalo de tempo e ΔT a variação de temperatura, a potência (P) pode ser calculada pela equação a seguir:

    Sendo assim, ficamos com a seguinte equação:

    Para substituir os dados fornecidos pelo exercício, precisamos lembrar que a unidade de massa usada na calorimetria é o g e que 500 ml equivale a 0,5 L de água, portanto, a massa de água no recipiente é de 500 g. Além disso, vamos usar o calor específico em J/gºC. O exercício nos diz que cada caloria equivale a 4,2 J, portanto, c = 4,2 J/gºC.

    Na equação acima, usamos o tempo (Δt) como 600 s, pois foi informado pelo exercício que se passaram 10 minutos e cada minuto equivale a 60s.

    Dessa forma, ficamos com o resultado de:

    O exercício informa que a potência do chuveiro é de 5000 W, ou seja, 5000 Joules por segundo; no entanto, o tempo de funcionamento do aparelho está dado em minutos e queremos calcular a quantidade de energia consumida em kWh. Portanto, para determinarmos esse tempo, transformamos os 30 min em horas (basta lembrar que cada hora tem 60 min, com isso, 30 min = 0,5h). Além disso, podemos transformar a potência elétrica fornecida em kW: 5000 W = 5kW (k = 103).

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  • Resposta Questão 2

    Letra B

    Para resolver esse exercício, usamos a definição de potência elétrica:

    Em seguida, a fórmula para o cálculo de potência elétrica dissipada:

    Dessa forma, ficamos com a seguinte expressão:

    Agora, usamos os dados fornecidos pelo enunciado do exercício:

    Por fim, temos o resultado de:

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  • Resposta Questão 3

    Letra E

    Somente em dois casos não haverá o surgimento do efeito Joule: quando o condutor estiver em equilíbrio eletrostático ou quando ele for considerado um condutor ideal, ou seja, de resistência elétrica nula. Apesar de muito baixa, a resistência elétrica dos condutores não é nula e “dificulta” a condução dos elétrons em seu interior em virtude das colisões entre elétrons e núcleos.

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  • Resposta Questão 4

    Letra B

    Por meio da definição matemática da Lei do efeito Joule, sabemos que:

    Dessa forma, a quantidade de calor (Q) dissipado é diretamente proporcional ao quadrado da corrente elétrica (i), à resistência elétrica (R) e ao tempo (t).

    A alternativa B informa que a quantidade de calor dissipado (Q) pelo efeito Joule é inversamente proporcional à resistência elétrica (R), sendo, portanto, falsa.

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