Studer temperatur og varme med listen over øvelser om: indstilling af temperatur og varme, ekspansion og termisk ligevægt, termometriske skalaer, varmeoverførsel, latent og sanselig varme. Der er flere løste og kommenterede øvelser, som du kan lære og løse dine tvivlsspørgsmål.
Øvelser om indstilling af temperatur og varme
Øvelse 1
Definer og differentier temperatur og varme.
Temperatur er et mål for den termiske tilstand af et fysisk legeme eller system. Det bestemmer graden af omrøring af de partikler, der udgør dette system.
Temperatur er derfor en størrelse, noget der kan måles. I det internationale system af enheder er måleenheden for temperatur Kelvin (K). Andre almindelige enheder er Celsius (°C) og Fahrenheit (°F).
Varme er bevægelsen af termisk energi. Termisk energi overføres fra mere energetiske legemer, med en højere temperatur, til mindre energiske legemer og systemer, med en lavere temperatur. Denne energioverførsel sker gennem processer som: ledning, konvektion og bestråling.
Da varme er en form for energi, måles den i det internationale enhedssystem i joule (J). Et andet almindeligt mål for varme er kalorieindhold (kalk).
Den største forskel mellem temperatur og varme er, at temperatur er et mål for den termiske tilstand, mens varme er overførslen af termisk energi mellem kroppe.
Øvelse 2
Definer, hvad der er termisk ligevægt.
Termisk ligevægt er den tilstand, hvor forskellige legemer i det samme miljø har samme temperatur, det vil sige, at de har den samme termiske tilstand.
Da varme er overførsel af termisk energi fra varmere kroppe til køligere, afkøles tidligere varmere kroppe, når de afgiver varme. På den anden side bliver kroppe, der modtager denne varme, som var koldere før, varme.
Denne temperaturvariation ophører, når der ikke er mere varme mellem legemerne, hvilket betyder, at der ikke længere er overførsel af termisk energi mellem dem. I denne tilstand er deres temperaturer de samme.
Øvelse 3
Forklar følgende fænomen:
Laura er lige vågnet og stået ud af sengen på en kold vinterdag. Efter at have stået ud af sin varme seng, rører hun sine fødder til det tæppebelagte gulv i sit soveværelse og føler sig godt tilpas, selv på sine bare fødder. Når du går ind i køkkenet, føler dine bare fødder en kold fornemmelse, når du rører ved klinkegulvet.
Hele husets miljø blev udsat for de samme temperaturforhold natten igennem. Hvorfor mærker Laura forskellige fornemmelser, når hun går barfodet i soveværelset og i køkkenet?
Fornemmelserne af varmt og koldt er relateret til flere faktorer, nogle endda subjektive. Forskellige mennesker kan mærke og opfatte den samme temperatur på forskellige måder. Men i teksten har den samme person forskellige fornemmelser i et miljø, der formodes at være i termisk ligevægt, altså hvor kroppene har samme temperatur.
Den eneste forskel er materialet, det kommer i kontakt med. Den termiske konduktivitetskoefficient er en egenskab ved materialer og angiver, hvor let termisk energi overføres. Jo mere varmeledningsevneværdien er, jo lettere er overførslen af varmeenergi.
Da keramiske gulve har større varmeledningsevne end uld- eller bomuldstæppe, taber Lauras krop meget. mere energi, når hun går gennem køkkenet, end når hun går på gulvtæppet, hvilket får hende til at tolke, at gulvet er mere kold.
Øvelser om termisk ligevægt
Øvelse 4
(IFF 2016) I laboratorieaktiviteten foreslår fysiklæreren, at eleverne blander 1L vand ved en temperatur på 100°C med 500 mL vand ved 4°C. Men før de blander og måler den termiske ligevægtstemperatur, skal eleverne beregne den termiske ligevægtstemperatur. Overvej ubetydelige termiske tab, og at det teoretiske resultat er lig med den eksperimentelle værdi. Det kan siges, at denne ligevægtstemperatur er gyldig:
a) 68°C.
b) 74°C.
c) 80°C.
d) 32°C.
e) 52°C.
Korrekt svar: a) 68°C.
Objektiv: Bestem den termiske ligevægtstemperatur ().
Data:
1 L = 1000 ml vand ved 100°C;
500 ml vand ved 4°C
Fysisk og matematisk model
I termisk ligevægt er der ikke længere overførsel af termisk energi, så summen af varmen af vanddelene ved 100°C og 4°C er lig med nul.
Da den specifikke varme på begge sider af ligningen er den samme, kan vi annullere dem.
Derfor vil ligevægtstemperaturen være 68°C.
Øvelser på termometriske skalaer
Øvelser 5
(SENAC - SP 2013) Menneskets ankomst til månen skete i 1969. Månens struktur er stenet og har praktisk talt ingen atmosfære, hvilket betyder, at temperaturen om dagen når 105 °C og om natten falder den til -155 °C.
Denne termiske variation, målt på Fahrenheit temperaturskalaen, er gyldig
a) 50.
b) 90.
c) 292.
d) 468.
e) 472.
Rigtigt svar: d) 468.
Forholdet mellem Celsius °C-skalaen og °F-skalaen er givet ved:
Hvor,
er temperaturvariationen i grader Celsius og,
er variationen af Fahrenheit.
Temperaturen på månens overflade varierer mellem 105°C og om natten -155°C. Derfor er den samlede variation 260°C.
105 - (-155) = 260
Ved at erstatte i formlen har vi:
Øvelser 6
(UESPI 2010) En studerende læser science fiction-romanen "Fahrenheit 451" af Ray Bradbury. I en bestemt passage hævder en af karaktererne, at 451 °F er den temperatur på Fahrenheit-skalaen, hvor papiret, som bøgerne er lavet af, forbrændes. Eleven ved, at på denne skala er vandets smelte- og kogetemperatur henholdsvis 32°F og 212°F. Han konkluderer med rette, at 451°F svarer nogenlunde til:
a) 100°C
b) 205°C
c) 233°C
d) 305°C
e) 316°C
Korrekt svar: c) 233 °C.
Celsius- og Fahrenheit-skalaerne er relateret til:
Udskifter 451°F med , vi har:
Af svarmulighederne er 233°C den nærmeste.
Øvelser 7
(FATEC 2014) Under et Formel Indy- eller Formel 1-løb udsættes kørerne for et varmt mikromiljø i cockpittet, der det når 50°C, genereret af forskellige varmekilder (fra solen, motor, terræn, hjernestofskifte, muskelaktivitet etc.). Denne temperatur er langt over den acceptable gennemsnitlige kropstemperatur, så de bør altid være i god fysisk form.
Formel Indy-racing er mere traditionelt i USA, hvor temperaturaflæsning er vedtaget på Fahrenheit-skalaen. Baseret på oplysningerne i teksten er det korrekt at sige, at den cockpittemperatur, som en Formula Indy-bil når under løbet, i Fahrenheit-grad, er
Data:
Issmeltetemperatur = 32°F;
Kogende vandtemperatur = 212°F.
a) 32.
b) 50.
c) 82.
d) 122.
e) 212.
Rigtigt svar: d) 122
For at relatere de to temperaturer bruger vi ligningen:
udskiftning for 50 og løse for
, vi har:
Derfor er temperaturen i cockpittet i Fahrenheit 122°F.
Øvelser om varmeudbredelse
Øvelse 8
(Enem 2021) I en brugsanvisning til et køleskab er der følgende anbefalinger:
• Hold kun køleskabsdøren åben så længe det er nødvendigt;
• Det er vigtigt ikke at hindre luftcirkulationen med dårlig fordeling af mad på hylderne;
• Efterlad et mellemrum på mindst 5 cm mellem bagsiden af produktet (serpentinkøleplade) og væggen.
Med udgangspunkt i termodynamikkens principper er begrundelserne for disse anbefalinger hhv.
a) Reducer kuldeydelsen fra køleskabet til miljøet, sørg for transmission af kulde mellem madvarerne på hylden og tillad varmeudveksling mellem kølepladen og omgivelserne.
b) Reducer køleskabets kuldeydelse til miljøet, garanterer konvektion af den indvendige luft, garanterer termisk isolering mellem de indvendige og udvendige dele.
c) Reducer varmestrømmen fra omgivelserne til indersiden af køleskabet, sørg for konvektion af den indvendige luft og tillad udveksling af varme mellem kølepladen og omgivelserne.
d) Reducer varmestrømmen fra omgivelserne til indersiden af køleskabet, sørg for transmission kulden mellem madvarerne på hylden og tillade udveksling af varme mellem vasken og omgivelserne.
e) Reducer varmestrømmen fra omgivelserne til indersiden af køleskabet, garantere konvektion af den indvendige luft og garantere termisk isolering mellem de indvendige og udvendige dele.
Korrekt svar: c) Reducer varmestrømmen fra rummet til indersiden af køleskabet, sørg for konvektion af den indvendige luft og tillad varmeudvekslingen mellem kølepladen og omgivelserne.
At holde køleskabsdøren lukket og kun åbne det nødvendige, forhindrer indtrængning af varme fra det ydre miljø.
Inde i køleskabet producerer varmeudvekslinger mellem det kolde indemiljø og maden luftstrømme gennem konvektion. Disse strømme er nødvendige for at afkøle mad.
Den varme, der tages fra maden og udveksles med køleskabets kølemiddel, transporteres til kølepladen bagerst. Denne varme vil blive udvekslet med miljøet, hovedsageligt ved konvektion, så der er behov for plads.
Øvelse 9
(UEPB 2009) Et barn, der kunne lide brigadeiro, besluttede at lave dette slik, og til det begyndte han at adskille ingredienser og redskaber. Til at begynde med tog han dåsen med kondenseret mælk, den pulveriserede chokolade og margarinen, derefter en stålpande og -ske og en dåseåbner. Barnet borede et hul i dåsen for at dræne den kondenserede mælk i gryden. Hans mor, der så den holdning, foreslog sønnen at bore endnu et hul i dåsen, så han lettere kunne fjerne den væske. Da barnet stillede gryden på bålet for at røre brigadeiroen, følte barnet, at skeens håndtag efter et par minutter var blevet varmet op og klagede: "Mor, skeen brænder min hånd". Så hans mor bad ham om at bruge en træske for at forhindre en forbrænding.
Om opvarmningen af skeen, der fremgår af barnets klage over, at hans hånd brændte, kan vi sige, at
a) med en træske, som er en fremragende termisk isolator, opvarmes den hurtigere end en stålske.
b) det sker, fordi partiklerne, der udgør skeen, skaber konvektionsstrømme, der opvarmer den fuldstændigt fra den ene ende til den anden.
c) på grund af bestråling opvarmes skeen helt fra den ene ende til den anden.
d) med en træske, som er en fremragende varmeleder, opvarmes den hurtigere end en stålske.
e) det sker, fordi partiklerne, der udgør skeen, begynder at lede den varme, der absorberes der, fra den ene ende til den anden.
Korrekt svar: e) det sker, fordi partiklerne, der udgør skeen, begynder at lede den varme, der absorberes der, fra den ene ende til den anden.
Varmeudbredelsesprocessen er ledning. Kun energi overføres fra en partikel til dens omgivelser. Metaller er fremragende varmetransmittere.
Øvelse 10
(Enem 2016) I et eksperiment efterlader en lærer to bakker af samme masse, den ene plastik og den anden aluminium, på laboratoriebordet. Efter et par timer beder han eleverne om at vurdere temperaturen på de to bakker ved hjælp af berøring. Hans elever hævder kategorisk, at aluminiumsbakken har en lavere temperatur. Spændt foreslår han en anden aktivitet, hvor han placerer en isterning på hver af bakkerne, som er i termisk ligevægt med miljøet og spørger dem, med hvilken hastigheden af issmeltning vil være større.
Den elev, der svarer rigtigt på lærerens spørgsmål, vil sige, at smeltningen vil ske
a) hurtigere på aluminiumsbakken, da den har en højere varmeledningsevne end plastik.
b) hurtigere på plastbakken, da den i starten har en højere temperatur end aluminiums.
c) hurtigere på plastbakken, da den har en højere termisk kapacitet end den i aluminium.
d) hurtigere på aluminiumsbakken, da den har en lavere specifik varme end plastik.
e) med samme hastighed på begge bakker, da de vil have samme temperaturvariation.
Korrekt svar: a) hurtigere på aluminiumsbakken, da den har en højere varmeledningsevne end plastik.
Is smelter hurtigere i bakken, hvilket overfører varme med en højere hastighed, dvs. hurtigere. Da metaller har større varmeledningsevne, overfører aluminiumsbakken mere varme til isen, og den smelter hurtigere.
Øvelse 11
(Enem 2021) I byen São Paulo er varmeøerne ansvarlige for at ændre retningen af strømmen af havbrisen, der skulle nå kilderegionen. Men når man krydser varmeøen, møder havbrisen nu en lodret luftstrøm, som overføres for hende absorberes den termiske energi fra byens varme overflader og forskyder den til høje steder højder. På den måde er der kondens og kraftig regn i centrum af byen i stedet for i forårsregionen. Billedet viser de tre delsystemer, der udveksler energi i dette fænomen.
Disse mekanismer er hhv.
a) bestråling og konvektion.
b) bestråling og bestråling.
c) ledning og bestråling.
d) konvektion og bestråling.
e) konvektion og konvektion.
Korrekt svar: a) bestråling og konvektion.
Bestråling er processen med at overføre varme mellem solen og byer. I denne proces overføres varme ved elektromagnetisk stråling.
Konvektion er processen med at overføre varme mellem varmeøer og havbrisen. I denne proces overføres varme af et flydende medium, i dette tilfælde luft, gennem dets bevægelser. Ved konvektion bliver den varme luft, der udvider sig, mindre tæt og stiger. Den køligere luft i højere højder, tættere, falder ned og skaber luftstrømme, der udveksler varme.
Øvelser på latent varme og følsom varme
Øvelse 12
(Enem 2015) De høje forbrændingstemperaturer og friktionen mellem dets bevægelige dele er nogle af de faktorer, der får forbrændingsmotorer til at varme op. For at forhindre overophedning og deraf følgende skader på disse motorer blev der udviklet nuværende kølesystemer, hvori en væske køler med specielle egenskaber cirkulerer gennem det indre af motoren og absorberer den varme, der, når den passerer gennem køleren, overføres til atmosfære.
Hvilken egenskab skal kølevæsken have for at opfylde sit formål mest effektivt?
a) Høj specifik varme.
b) Høj latent fusionsvarme.
c) Lav varmeledningsevne.
d) Lav kogetemperatur.
e) Høj termisk udvidelseskoefficient.
Korrekt svar: a) Høj specifik varme.
Specifik varme er en egenskab ved materialet, i dette tilfælde kølevæsken. Det angiver mængden af varme, den skal modtage eller give væk for en masseenhed, for at variere en temperaturenhed.
Med andre ord, jo højere den specifikke varme er, jo mere varme kan den modtage uden at øge temperaturen for meget. Stoffer med høj specifik varme har mindre følsomhed over for temperaturændringer.
På denne måde kan kølevæsken med høj specifik varme "samle" en større mængde termisk energi fra motoren uden at koge.
Øvelse 13
(FATEC 2014) I en klasse i disciplinen Fysik i Svejseforløbet på Fatec tager den ansvarlige lærer op med eleverne et emne, de havde set i gymnasiet. Forklarer, hvordan man udfører analysen af en tilstandsændringsgraf for et givet hypotetisk rent stof. Til dette skal vi blot evaluere de fysiske mængder repræsenteret på akserne og grafen dannet af forholdet mellem disse mængder. I denne graf angiver sektionen, der viser en hældning, en ændring i temperatur på grund af energiabsorption, og den, der præsenterer et plateau (vandret snit), angiver en tilstandsændring på grund af energiabsorption.
Efter denne forklaring spørger han eleverne, hvad var den samlede mængde energi, der blev absorberet af stof mellem slutningen af tilstandsændringen for væsken, indtil slutningen af tilstandsændringen for gasformig.
Det rigtige svar på dette spørgsmål, i kalorier, er
a) 2000.
b) 4000.
c) 6.000.
d) 10.000.
e) 14.000.
Korrekt svar: d) 10.000.
Denne ændring finder sted mellem 4000 og 14000 kalorier. Stoffet er helt i flydende tilstand, når rampen starter efter det første plateau. Omdannelsen fra flydende til gasfase sker på det andet plateau.
Øvelser om termisk dilatation
Øvelse 14
(URCA 2012) Radius af bunden af en metallisk kegle, hvis densitet er lig med 10 g/cm3, har ved 0°C en begyndelseslængde Ro = 2 cm. Ved at varme denne kegle op til en temperatur på 100°C varierer dens højde Δh = 0,015 cm. Med en keglemasse på 100 g er den gennemsnitlige lineære ekspansionskoefficient for materialet:
Det rigtige svar:
Objektiv: Bestem den lineære ekspansionskoefficient ().
Data = 0,015 cm
Indledende radius, = 2 cm = 100°C
masse, m = 100 g
massefylde, d = 10 g/cm3
Matematisk og fysisk model for lineær termisk udvidelse
Hvor, er den lineære ekspansionskoefficient.
er højdevariationen.
er starthøjden.
er variationen i temperatur.
Isolerende ,
og
De leveres. På denne måde at bestemme
, er det nødvendigt at bestemme
.
At bestemme lad os bruge volumen- og tæthedsforhold.
kegle volumen
Massefylde
Isoler V,
Substituere værdien af V og r i volumenligningen og lave = 3,
Nu kan vi erstatte i ligningen for termisk udvidelseskoefficient,
bliver til videnskabelig notation
0,0006 =
Lær mere om
- varme og temperatur.
- varmeudbredelse
- følsom varme
- Specifik varme
- Termisk energi
- Varmeudvidelse
- Termisk kapacitet
- termisk ledning
- Termisk konvektion
- Termisk bestråling
