Studio temperatura e calore con l'elenco degli esercizi su: impostazione temperatura e calore, espansione ed equilibrio termico, scale termometriche, scambio termico, calore latente e sensibile. Ci sono diversi esercizi risolti e commentati per imparare e risolvere i tuoi dubbi.
Esercizi sull'impostazione della temperatura e del calore
Esercizio 1
Definire e differenziare temperatura e calore.
La temperatura è una misura dello stato termico di un corpo o sistema fisico. Determina il grado di agitazione delle particelle che compongono questo sistema.
La temperatura è quindi una quantità, qualcosa che può essere misurata. Nel Sistema Internazionale di Unità, l'unità di misura della temperatura è il Kelvin (K). Altre unità comuni sono Celsius (°C) e Fahrenheit (°F).
Il calore è il movimento dell'energia termica. L'energia termica viene trasferita da corpi più energetici, a temperatura più alta, a corpi e sistemi meno energetici, a temperatura più bassa. Questo trasferimento di energia avviene attraverso processi quali: conduzione, convezione e irraggiamento.
Poiché il calore è una forma di energia, nel Sistema internazionale di unità di misura è misurato in joule (J). Un'altra misura comune per il calore è la caloria (calce).
La principale differenza tra temperatura e calore è che la temperatura è una misura dello stato termico mentre il calore è il trasferimento di energia termica tra i corpi.
Esercizio 2
Definisci cos'è l'equilibrio termico.
L'equilibrio termico è lo stato in cui corpi diversi nello stesso ambiente sono alla stessa temperatura, cioè hanno lo stesso stato termico.
Poiché il calore è il trasferimento di energia termica dai corpi più caldi a quelli più freddi, i corpi precedentemente più caldi si raffreddano mentre emettono calore. Al contrario, i corpi che ricevono questo calore, che prima erano più freddi, diventano caldi.
Questa variazione di temperatura cessa quando non c'è più calore tra i corpi, il che significa che non c'è più trasferimento di energia termica tra di loro. In questo stato, le loro temperature sono le stesse.
Esercizio 3
Spiega il seguente fenomeno:
Laura si è appena svegliata e si è alzata dal letto in una fredda giornata d'inverno. Dopo essersi alzata dal letto caldo, tocca con i piedi il pavimento in moquette della sua camera da letto e si sente a suo agio, anche a piedi nudi. Quando entri in cucina, i tuoi piedi nudi sentono una sensazione di freddo quando toccano il pavimento di piastrelle.
L'intero ambiente della casa è stato esposto alle stesse condizioni di temperatura per tutta la notte. Perché Laura prova sensazioni diverse quando cammina a piedi nudi in camera da letto e in cucina?
Le sensazioni di caldo e freddo sono legate a diversi fattori, alcuni anche soggettivi. Persone diverse possono sentire e percepire la stessa temperatura in modi diversi. Tuttavia, nel testo, la stessa persona ha sensazioni diverse in un ambiente che dovrebbe essere in equilibrio termico, cioè dove i corpi sono alla stessa temperatura.
L'unica differenza è il materiale con cui viene a contatto. Il coefficiente di conducibilità termica è una proprietà dei materiali e indica la facilità con cui l'energia termica viene trasferita. Maggiore è il valore di conducibilità termica, più facile è il trasferimento di energia termica.
Poiché il pavimento in ceramica ha una conduttività termica maggiore rispetto a un tappeto di lana o cotone, il corpo di Laura perde molto. più energia quando cammina attraverso la cucina che quando cammina sul tappeto, il che le fa interpretare che il pavimento è più freddo.
Esercizi sull'equilibrio termico
Esercizio 4
(IFF 2016) Nell'attività di laboratorio, il docente di Fisica propone agli studenti di mischiare 1L di acqua alla temperatura di 100°C con 500 mL di acqua a 4°C. Tuttavia, prima di miscelare e misurare la temperatura di equilibrio termico, gli studenti devono calcolare la temperatura di equilibrio termico. Si considerino perdite termiche trascurabili e che il risultato teorico sia uguale al valore sperimentale. Si può dire che questa temperatura di equilibrio è valida:
a) 68°C.
b) 74°C.
c) 80°C.
d) 32°C.
e) 52°C.
Risposta corretta: a) 68°C.
Obbiettivo: determinare la temperatura di equilibrio termico ().
Dati:
1L = 1000 ml di acqua a 100°C;
500 ml di acqua a 4°C
Modello fisico e matematico
In equilibrio termico non c'è più trasferimento di energia termica, quindi la somma dei calori delle porzioni d'acqua a 100°C e 4°C è uguale a zero.
Poiché su entrambi i lati dell'equazione il calore specifico è lo stesso, possiamo annullarli.
Pertanto, la temperatura di equilibrio sarà di 68°C.
Esercizi su scale termometriche
Esercizi 5
(SENAC - SP 2013) L'arrivo dell'uomo sulla luna è avvenuto nel 1969. La struttura della luna è rocciosa e praticamente priva di atmosfera, il che significa che durante il giorno la temperatura raggiunge i 105 °C e di notte scende a -155 °C.
Questa variazione termica, misurata sulla scala della temperatura Fahrenheit, è valida
a) 50.
b) 90.
c) 292.
d) 468.
e) 472.
Risposta corretta: d) 468.
La relazione tra la scala Celsius °C e la scala °F è data da:
Dove,
è la variazione di temperatura in gradi Celsius e,
è la variazione su Fahrenheit.
La temperatura sulla superficie lunare varia tra 105°C e di notte -155°C. Pertanto, la variazione totale è di 260°C.
105 - (-155) = 260
Sostituendo nella formula si ha:
Esercizi 6
(UESPI 2010) Uno studente sta leggendo il romanzo di fantascienza “Fahrenheit 451” di Ray Bradbury. In un certo passaggio, uno dei personaggi afferma che 451 ° F è la temperatura sulla scala Fahrenheit alla quale la carta da cui sono fatti i libri brucia. Lo studente sa che, su questa scala, le temperature di fusione e di ebollizione dell'acqua sono rispettivamente di 32°F e 212°F. Conclude giustamente che 451 ° F è approssimativamente equivalente a:
a) 100 °C
b) 205 °C
c) 233 °C
d) 305 °C
e) 316 °C
Risposta corretta: c) 233 °C.
Le scale Celsius e Fahrenheit sono legate da:
Sostituendo 451 ° F con , noi abbiamo:
Delle opzioni di risposta 233°C è la più vicina.
Esercizi 7
(FATEC 2014) Durante una gara di Formula Indy o Formula 1, i piloti sono soggetti a un microambiente caldo nell'abitacolo che raggiunge i 50°C, generati da varie fonti di calore (dal sole, dal motore, dal terreno, dal metabolismo cerebrale, dall'attività muscolare eccetera.). Questa temperatura è molto al di sopra della temperatura corporea media tollerabile, quindi dovrebbero essere sempre in buone condizioni fisiche.
Le corse di Formula Indy sono più tradizionali negli Stati Uniti, dove la lettura della temperatura è adottata sulla scala Fahrenheit. Sulla base delle informazioni presentate nel testo, è corretto affermare che la temperatura dell'abitacolo che una vettura di Formula Indy raggiunge durante la gara, in gradi Fahrenheit, è
Dati:
Temperatura di fusione del ghiaccio = 32°F;
Temperatura dell'acqua bollente = 212°F.
a) 32.
b) 50.
c) 82.
d) 122.
e) 212.
Risposta corretta: d) 122
Per mettere in relazione le due temperature, usiamo l'equazione:
sostituzione per 50 e risolvendo per
, noi abbiamo:
Pertanto, la temperatura nell'abitacolo in gradi Fahrenheit è di 122°F.
Esercizi sulla propagazione del calore
Esercizio 8
(Enem 2021) In un manuale di istruzioni per un frigorifero, ci sono le seguenti raccomandazioni:
• Tenere aperta la porta del frigorifero solo il tempo necessario;
• È importante non ostacolare la circolazione dell'aria con cattiva distribuzione degli alimenti sugli scaffali;
• Lasciare uno spazio di almeno 5 cm tra il retro del prodotto (dissipatore a serpentina) e la parete.
Basate sui principi della termodinamica, le giustificazioni per queste raccomandazioni sono, rispettivamente:
a) Ridurre l'uscita del freddo dal frigorifero all'ambiente, garantire la trasmissione del freddo tra gli alimenti sul ripiano e consentire lo scambio termico tra il dissipatore e l'ambiente.
b) Ridurre la resa fredda del frigorifero nell'ambiente, garantire la convezione dell'aria interna, garantire l'isolamento termico tra le parti interne ed esterne.
c) Ridurre il flusso di calore dall'ambiente all'interno del frigorifero, assicurare la convezione dell'aria interna e consentire lo scambio di calore tra il dissipatore e l'ambiente.
d) Ridurre il flusso di calore dall'ambiente all'interno del frigorifero, assicurare la trasmissione il freddo tra gli alimenti sul ripiano e consentono lo scambio di calore tra il lavello e l'ambiente.
e) Ridurre il flusso di calore dall'ambiente all'interno del frigorifero, garantire la convezione dell'aria interna e garantire l'isolamento termico tra le parti interne ed esterne.
Risposta corretta: c) Ridurre il flusso di calore dall'ambiente all'interno del frigorifero, garantire la convezione dell'aria interna e consentire lo scambio termico tra il dissipatore e l'ambiente.
Tenendo chiusa la porta del frigorifero, aprendo solo il necessario, si evita l'ingresso di calore dall'ambiente esterno.
All'interno del frigorifero, gli scambi di calore tra l'ambiente interno freddo e il cibo producono correnti d'aria per convezione. Queste correnti sono necessarie per raffreddare il cibo.
Il calore prelevato dal cibo e scambiato con il refrigerante del frigorifero viene trasportato al dissipatore sul retro. Questo calore verrà scambiato con l'ambiente, principalmente per convezione, quindi è necessario spazio.
Esercizio 9
(UEPB 2009) Un bambino a cui piaceva il brigadeiro decise di fare questa caramella, e per questo iniziò a separare gli ingredienti e gli utensili. Inizialmente prese il latte condensato, il cioccolato in polvere e la margarina, poi una padella e un cucchiaio d'acciaio e un apriscatole. Il bambino ha praticato un foro nella lattina per drenare il latte condensato nella padella. Sua madre, vedendo quell'atteggiamento, suggerì al figlio di praticare un altro foro nel barattolo, in modo da poter rimuovere più facilmente quel liquido. Quando metteva la pentola sul fuoco per mescolare il brigadeiro, il bambino sentiva che, dopo pochi minuti, il manico del cucchiaio si era riscaldato e si lamentava: “Mamma, il cucchiaio mi brucia la mano”. Così, sua madre gli ha chiesto di usare un cucchiaio di legno per evitare ustioni.
A proposito del riscaldamento del cucchiaio evidenziato nella denuncia del bambino che gli bruciava la mano, possiamo dire che
a) con un cucchiaio di legno, che è un ottimo isolante termico, si scalda più velocemente di un cucchiaio di acciaio.
b) accade perché le particelle che compongono il cucchiaio creano correnti convettive, riscaldandolo completamente, da un'estremità all'altra.
c) per irraggiamento, il cucchiaio si riscalda completamente, da un'estremità all'altra.
d) con un cucchiaio di legno, che è un ottimo conduttore termico, si scalda più velocemente di un cucchiaio di acciaio.
e) accade perché le particelle che compongono il cucchiaio iniziano a condurre il calore ivi assorbito da un'estremità all'altra.
Risposta corretta: e) succede perché le particelle che compongono il cucchiaio iniziano a condurre da un'estremità all'altra il calore ivi assorbito.
Il processo di propagazione del calore è la conduzione. Solo l'energia viene trasferita da una particella all'ambiente circostante. I metalli sono eccellenti trasmettitori di calore.
Esercizio 10
(Enem 2016) In un esperimento, un insegnante lascia due vassoi della stessa massa, uno di plastica e l'altro di alluminio, sul tavolo del laboratorio. Dopo alcune ore, chiede agli studenti di valutare la temperatura dei due vassoi, utilizzando il tocco. I suoi studenti affermano categoricamente che il vassoio di alluminio ha una temperatura inferiore. Incuriosito, propone una seconda attività, in cui mette un cubetto di ghiaccio su ciascuna delle vaschette, che sono in equilibrio termico con l'ambiente, e chiede loro quale sarà la velocità di scioglimento del ghiaccio più grandi.
Lo studente che risponde correttamente alla domanda dell'insegnante dirà che lo scioglimento avverrà
a) più veloce sul vassoio in alluminio, in quanto ha una conduttività termica maggiore rispetto alla plastica.
b) più veloce sul vassoio in plastica, in quanto inizialmente ha una temperatura più alta di quella in alluminio.
c) più veloce sul vassoio in plastica, in quanto ha una capacità termica maggiore rispetto a quello in alluminio.
d) più veloce sul vassoio in alluminio, in quanto ha un calore specifico inferiore a quello in plastica.
e) con la stessa velocità su entrambe le teglie, in quanto avranno la stessa variazione di temperatura.
Risposta corretta: a) più veloce sul vassoio in alluminio, in quanto ha una conducibilità termica maggiore rispetto a quello in plastica.
Il ghiaccio si scioglie più velocemente nel vassoio che trasferisce il calore a una velocità maggiore, cioè più velocemente. Poiché i metalli hanno una maggiore conduttività termica, il vassoio di alluminio trasferisce più calore al ghiaccio e si scioglierà più velocemente.
Esercizio 11
(Enem 2021) Nella città di São Paulo, le isole di calore sono responsabili del cambiamento della direzione del flusso della brezza marina che dovrebbe raggiungere la regione primaverile. Ma quando si attraversa l'isola di calore, la brezza marina ora incontra un flusso d'aria verticale, che si trasferisce per lei l'energia termica assorbita dalle calde superfici della città, spostandola in luoghi elevati altitudini. In questo modo c'è condensa e forti piogge nel centro della città, invece che nella regione primaverile. L'immagine mostra i tre sottosistemi che scambiano energia in questo fenomeno.
Questi meccanismi sono, rispettivamente,
a) irraggiamento e convezione.
b) irradiazione e irradiazione.
c) conduzione e irraggiamento.
d) convezione e irraggiamento.
e) convezione e convezione.
Risposta corretta: a) irraggiamento e convezione.
L'irradiazione è il processo di trasferimento del calore tra il sole e le città. In questo processo, il calore viene trasferito mediante radiazione elettromagnetica.
La convezione è il processo di trasferimento del calore tra le isole di calore e la brezza marina. In questo processo, il calore viene trasferito da un mezzo fluido, in questo caso l'aria, attraverso i suoi movimenti. In convezione, l'aria calda che si espande, diventa meno densa e sale. L'aria più fresca alle quote più elevate, più densa, discende creando correnti d'aria che scambiano calore.
Esercizi sul calore latente e calore sensibile
Esercizio 12
(Enem 2015) Le alte temperature di combustione e l'attrito tra le sue parti mobili sono alcuni dei fattori che causano il surriscaldamento dei motori a combustione interna. Per prevenire il surriscaldamento e il conseguente danneggiamento di questi motori, sono stati sviluppati degli attuali sistemi di raffreddamento, in cui un fluido radiatore dalle particolari proprietà circola all'interno del motore, assorbendo il calore che, passando attraverso il radiatore, viene ceduto al atmosfera.
Quale proprietà deve avere il liquido di raffreddamento per adempiere al suo scopo nel modo più efficiente?
a) Calore specifico elevato.
b) Alto calore latente di fusione.
c) Bassa conducibilità termica.
d) Bassa temperatura di ebollizione.
e) Alto coefficiente di dilatazione termica.
Risposta corretta: a) Calore specifico elevato.
Il calore specifico è una proprietà del materiale, in questo caso il liquido di raffreddamento. Indica la quantità di calore che deve ricevere o cedere per un'unità di massa, per variare un'unità di temperatura.
In altre parole, più alto è il calore specifico, più calore può ricevere senza aumentare troppo la sua temperatura. Le sostanze con un calore specifico elevato hanno una minore sensibilità alle variazioni di temperatura.
In questo modo il liquido di raffreddamento ad alto calore specifico può "raccogliere" una maggiore quantità di energia termica dal motore senza far bollire.
Esercizio 13
(FATEC 2014) In una classe della disciplina di Fisica nel corso di Saldatura presso Fatec, l'insegnante responsabile riprende con gli studenti un argomento che avevano visto al liceo. Spiega come eseguire l'analisi di un grafico del cambiamento di stato di una data ipotetica sostanza pura. Per questo basta valutare le grandezze fisiche rappresentate sugli assi e il grafico formato dalla relazione tra queste grandezze. In questo grafico, la sezione che presenta un'inclinazione indica una variazione di temperatura dovuta all'assorbimento di energia, e quella che presenta un plateau (sezione orizzontale) indica una variazione di stato dovuta all'assorbimento di energia.
Dopo questa spiegazione, chiede agli studenti qual è stata la quantità totale di energia assorbita dal sostanza tra la fine del cambio di stato per il liquido, fino alla fine del cambio di stato per il gassoso.
La risposta corretta a questa domanda, in calorie, è
a) 2000.
b) 4000.
c) 6.000.
d) 10.000.
e) 14 000.
Risposta corretta: d) 10.000.
Questo cambiamento avviene tra 4000 e 14000 calorie. La sostanza è completamente allo stato liquido quando inizia la rampa dopo il primo plateau. La trasformazione da fase liquida a fase gassosa avviene sul secondo plateau.
Esercizi sulla dilatazione termica
Esercizio 14
(URCA 2012) Il raggio della base di un cono metallico, la cui densità è pari a 10 g/cm3, ha a 0°C una lunghezza iniziale Ro = 2 cm. Riscaldando questo cono fino ad una temperatura di 100°C, la sua altezza varia Δh = 0,015 cm. Con una massa del cono di 100 g, il coefficiente di dilatazione lineare medio del materiale è:
Risposta esatta:
Obbiettivo: determinare il coefficiente di espansione lineare ().
Dati = 0,015 cm
Raggio iniziale, = 2 cm = 100°C
massa, m = 100 g
densità, d = 10 g/cm3
Modello matematico e fisico dell'espansione termica lineare
Dove, è il coefficiente di espansione lineare.
è la variazione di altezza.
è l'altezza di partenza.
è la variazione di temperatura.
isolare ,
e
Sono forniti. In questo modo, per determinare
, è necessario determinare
.
Determinare usiamo i rapporti di volume e densità.
volume del cono
Densità
Isolamento V,
Sostituendo il valore di V e r nell'equazione del volume e facendo = 3,
Ora possiamo sostituire nell'equazione del coefficiente di dilatazione termica,
trasformandosi in notazione scientifica
0,0006 =
impara di più riguardo
- calore e temperatura.
- propagazione del calore
- calore sensibile
- Calore specifico
- Energia termica
- Dilatazione termica
- Capacità termica
- conduzione termica
- Convezione termica
- Irradiazione termica
