Bestudeer temperatuur en warmte met de lijst met oefeningen over: temperatuur en warmte instellen, uitzetting en thermisch evenwicht, thermometrische schalen, warmteoverdracht, latente en voelbare warmte. Er zijn verschillende opgeloste en becommentarieerde oefeningen voor u om te leren en uw twijfels op te lossen.
Oefeningen voor het instellen van temperatuur en warmte
Oefening 1
Definieer en onderscheid temperatuur en warmte.
Temperatuur is een maat voor de thermische toestand van een fysiek lichaam of systeem. Het bepaalt de mate van agitatie van de deeltjes waaruit dit systeem bestaat.
Temperatuur is dus een grootheid, iets dat meetbaar is. In het Internationale Stelsel van Eenheden is de meeteenheid voor temperatuur de Kelvin (K). Andere veel voorkomende eenheden zijn Celsius (°C) en Fahrenheit (°F).
Warmte is de beweging van thermische energie. Thermische energie wordt overgedragen van meer energetische lichamen, met een hogere temperatuur, naar minder energetische lichamen en systemen, met een lagere temperatuur. Deze energieoverdracht vindt plaats door processen als: geleiding, convectie en bestraling.
Omdat warmte een vorm van energie is, wordt het in het Internationale Stelsel van Eenheden gemeten in joule (J). Een andere veel voorkomende maatstaf voor warmte is calorie (limoen).
Het belangrijkste verschil tussen temperatuur en warmte is dat temperatuur een maat is voor de thermische toestand, terwijl warmte de overdracht van thermische energie tussen lichamen is.
Oefening 2
Definieer wat thermisch evenwicht is.
Thermisch evenwicht is de toestand waarin verschillende lichamen in dezelfde omgeving dezelfde temperatuur hebben, dat wil zeggen dat ze dezelfde thermische toestand hebben.
Omdat warmte de overdracht is van thermische energie van warmere naar koelere lichamen, koelen voorheen hetere lichamen af omdat ze warmte afgeven. Aan de andere kant worden lichamen die deze warmte ontvangen, die voorheen kouder waren, warm.
Deze temperatuurvariatie houdt op wanneer er geen warmte meer tussen de lichamen is, wat betekent dat er geen overdracht van thermische energie meer tussen de lichamen is. In deze toestand zijn hun temperaturen hetzelfde.
Oefening 3
Leg het volgende fenomeen uit:
Laura is net wakker geworden en opgestaan op een koude winterdag. Nadat ze uit haar warme bed is gekomen, raakt ze met haar voeten de vloerbedekking van haar slaapkamer aan en voelt ze zich comfortabel, zelfs op haar blote voeten. Wanneer je de keuken binnengaat, voelen je blote voeten een koud gevoel bij het aanraken van de tegelvloer.
De hele omgeving van het huis werd de hele nacht blootgesteld aan dezelfde temperatuuromstandigheden. Waarom voelt Laura verschillende sensaties als ze op blote voeten in de slaapkamer en in de keuken loopt?
De sensaties van warm en koud zijn gerelateerd aan verschillende factoren, sommige zelfs subjectief. Verschillende mensen kunnen dezelfde temperatuur op verschillende manieren voelen en waarnemen. In de tekst heeft dezelfde persoon echter verschillende gewaarwordingen in een omgeving die geacht wordt in thermisch evenwicht te zijn, dat wil zeggen waar de lichamen dezelfde temperatuur hebben.
Het enige verschil is het materiaal waarmee het in contact komt. De thermische geleidbaarheidscoëfficiënt is een eigenschap van materialen en geeft aan hoe gemakkelijk thermische energie wordt overgedragen. Hoe hoger de thermische geleidbaarheidswaarde, hoe gemakkelijker de overdracht van thermische energie is.
Omdat keramische vloeren een grotere thermische geleidbaarheid hebben dan wol of katoenen tapijt, verliest Laura's lichaam veel. meer energie bij het lopen door de keuken dan bij het lopen op het tapijt, waardoor ze interpreteert dat de vloer meer is verkoudheid.
Oefeningen op thermisch evenwicht
Oefening 4
(IFF 2016) In de laboratoriumactiviteit stelt de natuurkundeleraar voor dat leerlingen 1L water van 100°C mengen met 500 mL water van 4°C. Alvorens de thermische evenwichtstemperatuur te mengen en te meten, moeten de studenten echter de thermische evenwichtstemperatuur berekenen. Houd rekening met verwaarloosbare thermische verliezen en dat het theoretische resultaat gelijk is aan de experimentele waarde. Men kan zeggen dat deze evenwichtstemperatuur geldig is:
a) 68°C.
b) 74°C.
c) 80°C.
d) 32 °C.
e) 52 °C.
Juiste antwoord: a) 68°C.
Objectief: bepaal de thermische evenwichtstemperatuur ().
Gegevens:
1L = 1000 ml water van 100°C;
500 ml water van 4°C
Fysiek en wiskundig model
In thermisch evenwicht is er geen overdracht van thermische energie meer, dus de som van de warmte van de porties water bij 100°C en 4°C is gelijk aan nul.
Omdat aan beide kanten van de vergelijking de soortelijke warmte hetzelfde is, kunnen we ze opheffen.
De evenwichtstemperatuur zal dus 68°C zijn.
Oefeningen op thermometrische schalen
Oefeningen 5
(SENAC - SP 2013) De komst van de mens op de maan vond plaats in 1969. De structuur van de maan is rotsachtig en heeft praktisch geen atmosfeer, waardoor de temperatuur overdag 105 °C bereikt en 's nachts daalt tot -155 °C.
Deze thermische variatie, gemeten op de Fahrenheit-temperatuurschaal, is geldig
een) 50.
b) 90.
c) 292.
d) 468.
e) 472.
Juiste antwoord: d) 468.
De relatie tussen de Celsius °C-schaal en de °F-schaal wordt gegeven door:
Waar,
is de temperatuurvariatie in graden Celsius en,
is de variatie op Fahrenheit.
De temperatuur op het maanoppervlak varieert tussen 105°C en 's nachts --155°C. Daarom is de totale variatie 260°C.
105 - (-155) = 260
Substitueren in de formule, we hebben:
Oefeningen 6
(UESPI 2010) Een student leest de sciencefictionroman “Fahrenheit 451” van Ray Bradbury. In een bepaalde passage beweert een van de personages dat 451 ° F de temperatuur op de Fahrenheit-schaal is waarbij het papier waaruit boeken worden gemaakt, verbrandt. De student weet dat op deze schaal de smelt- en kooktemperaturen van water respectievelijk 32 ° F en 212 ° F zijn. Hij concludeert terecht dat 451°F ongeveer gelijk is aan:
a) 100 °C
b) 205 °C
c) 233 °C
d) 305 °C
e) 316 °C
Correct antwoord: c) 233 °C.
De schalen van Celsius en Fahrenheit zijn gerelateerd aan:
451°F vervangen door , we hebben:
Van de antwoordmogelijkheden komt 233°C het dichtst in de buurt.
Oefeningen 7
(FATEC 2014) Tijdens een Formule Indy- of Formule 1-race worden coureurs blootgesteld aan een hete micro-omgeving in de cockpit die het bereikt 50°C, gegenereerd door verschillende warmtebronnen (van de zon, motor, terrein, hersenmetabolisme, spieractiviteit) enzovoort.). Deze temperatuur ligt ver boven de aanvaardbare gemiddelde lichaamstemperatuur, dus ze moeten altijd in goede fysieke conditie zijn.
Formula Indy-races zijn traditioneler in de VS, waar de temperatuurmeting wordt overgenomen op de schaal van Fahrenheit. Op basis van de informatie in de tekst is het juist om te stellen dat de cockpittemperatuur die een Formula Indy-auto tijdens de race bereikt, in Fahrenheit-graad,
Gegevens:
IJssmelttemperatuur = 32 ° F;
Kookwatertemperatuur = 212 °F.
a) 32.
b) 50.
c) 82.
d) 122.
e) 212.
Correct antwoord: d) 122
Om de twee temperaturen met elkaar in verband te brengen, gebruiken we de vergelijking:
vervangen voor 50 en oplossen voor
, we hebben:
Daarom is de temperatuur in de cockpit in Fahrenheit 122°F.
Oefeningen over warmtevoortplanting
Oefening 8
(Enem 2021) In een handleiding voor een koelkast staan de volgende aanbevelingen:
• Houd de deur van uw koelkast slechts zo lang open als nodig is;
• Het is belangrijk om de luchtcirculatie niet te belemmeren bij een slechte verdeling van voedsel op de planken;
• Laat een ruimte van minimaal 5 cm tussen de achterkant van het product (slangen koellichaam) en de muur.
Op basis van de principes van de thermodynamica zijn de rechtvaardigingen voor deze aanbevelingen respectievelijk:
a) Verminder de koudeafgifte van de koelkast naar de omgeving, zorg voor de overdracht van koude tussen de voedingsmiddelen op het schap en laat warmte-uitwisseling tussen het koellichaam en de omgeving toe.
b) Verminder de koude output van de koelkast naar de omgeving, garandeer de convectie van de interne lucht, garandeer thermische isolatie tussen de interne en externe delen.
c) Verminder de warmtestroom van de omgeving naar de binnenkant van de koelkast, zorg voor convectie van de interne lucht en laat de warmte-uitwisseling tussen het koellichaam en de omgeving toe.
d) Verminder de warmtestroom van de omgeving naar de binnenkant van de koelkast, zorg voor overdracht; de kou tussen de etenswaren op het schap en zorgen voor de uitwisseling van warmte tussen de gootsteen en de omgeving.
e) Verminder de warmtestroom van de omgeving naar de binnenkant van de koelkast, garandeer de convectie van de interne lucht en garandeer thermische isolatie tussen de interne en externe delen.
Correct antwoord: c) Verminder de warmtestroom van de kamer naar de binnenkant van de koelkast, zorg voor convectie van de interne lucht en laat de warmte-uitwisseling tussen het koellichaam en de omgeving toe.
Door de koelkastdeur gesloten te houden en alleen het noodzakelijke te openen, wordt het binnendringen van warmte uit de externe omgeving voorkomen.
In de koelkast produceren warmte-uitwisselingen tussen de koude binnenomgeving en het voedsel luchtstromen door middel van convectie. Deze stromen zijn nodig voor het koelen van voedsel.
De warmte die uit het voedsel wordt gehaald en wordt uitgewisseld met het koelmiddel van de koelkast, wordt naar het koellichaam aan de achterkant getransporteerd. Deze warmte wordt voornamelijk door convectie uitgewisseld met de omgeving, dus er is ruimte nodig.
Oefening 9
(UEPB 2009) Een kind dat van brigadeiro hield, besloot dit snoepje te maken en daarvoor begon hij de ingrediënten en gebruiksvoorwerpen te scheiden. Eerst nam hij het blikje gecondenseerde melk, de chocoladepoeder en de margarine, daarna een stalen pan en lepel en een blikopener. Het kind boorde een gat in het blikje om de gecondenseerde melk in de pan te laten lopen. Zijn moeder die die houding zag, stelde voor dat de zoon nog een gat in het blikje boort, zodat hij die vloeistof gemakkelijker zou kunnen verwijderen. Toen het de pot op het vuur zette om de brigadeiro te roeren, voelde het kind dat na een paar minuten het handvat van de lepel was opgewarmd en klaagde: "Moeder, de lepel brandt mijn hand". Dus vroeg zijn moeder hem om een houten lepel te gebruiken om brandwonden te voorkomen.
Over het opwarmen van de lepel die blijkt uit de klacht van het kind dat zijn hand brandde, kunnen we zeggen dat
a) met een houten lepel, die een uitstekende thermische isolator is, warmt hij sneller op dan een stalen lepel.
b) het gebeurt omdat de deeltjes waaruit de lepel bestaat convectiestromen creëren, waardoor deze volledig wordt verwarmd, van het ene uiteinde naar het andere.
c) door bestraling warmt de lepel volledig op, van het ene uiteinde naar het andere.
d) met een houten lepel, die een uitstekende warmtegeleider is, warmt hij sneller op dan een stalen lepel.
e) het gebeurt omdat de deeltjes waaruit de lepel bestaat, de daar geabsorbeerde warmte van het ene uiteinde naar het andere gaan geleiden.
Correct antwoord: e) het gebeurt omdat de deeltjes waaruit de lepel bestaat, de daar geabsorbeerde warmte van het ene uiteinde naar het andere gaan geleiden.
Het warmtevoortplantingsproces is geleiding. Alleen energie wordt overgedragen van een deeltje naar zijn omgeving. Metalen zijn uitstekende warmtetransmitters.
Oefening 10
(Enem 2016) In een experiment laat een leraar twee trays van dezelfde massa, een van plastic en de andere van aluminium, op de laboratoriumtafel liggen. Na een paar uur vraagt hij de leerlingen om de temperatuur van de twee trays te beoordelen met behulp van aanraking. Zijn studenten beweren categorisch dat de aluminium schaal op een lagere temperatuur is. Geïntrigeerd stelt hij een tweede activiteit voor, waarbij hij op elk van de bakjes een ijsblokje plaatst, dat in thermisch evenwicht zijn met de omgeving, en vraagt hen met welke snelheid het ijs zal smelten groter.
De student die de vraag van de leraar correct beantwoordt, zal zeggen dat het smelten zal plaatsvinden
a) sneller op de aluminium schaal, omdat het een hogere thermische geleidbaarheid heeft dan plastic.
b) sneller op de plastic bak, omdat deze aanvankelijk een hogere temperatuur heeft dan de aluminium bak.
c) sneller op de plastic bak, omdat deze een hogere thermische capaciteit heeft dan de aluminium bak.
d) sneller op de aluminium schaal, omdat deze een lagere soortelijke warmte heeft dan de plastic schaal.
e) met dezelfde snelheid op beide trays, omdat ze dezelfde temperatuurvariatie hebben.
Correct antwoord: a) sneller op de aluminium bak, omdat deze een hogere thermische geleidbaarheid heeft dan de plastic bak.
IJs smelt sneller in de bak, waardoor warmte sneller wordt overgedragen, dus sneller. Omdat metalen een grotere thermische geleidbaarheid hebben, geeft de aluminium schaal meer warmte af aan het ijs en zal het sneller smelten.
Oefening 11
(Enem 2021) In de stad São Paulo zijn de hitte-eilanden verantwoordelijk voor het veranderen van de richting van de stroming van de zeebries die het lentegebied zou moeten bereiken. Maar bij het oversteken van het hitte-eiland ontmoet de zeebries nu een verticale luchtstroom, die wordt overgedragen voor haar wordt de thermische energie geabsorbeerd van de hete oppervlakken van de stad en verplaatst naar hoge plaatsen hoogtes. Op deze manier is er condensatie en hevige regen in het centrum van de stad, in plaats van in de lenteregio. De afbeelding toont de drie subsystemen die bij dit fenomeen energie uitwisselen.
Deze mechanismen zijn respectievelijk
a) bestraling en convectie.
b) bestraling en bestraling.
c) geleiding en bestraling.
d) convectie en bestraling.
e) convectie en convectie.
Juiste antwoord: a) bestraling en convectie.
Bestraling is het proces van warmteoverdracht tussen de zon en steden. Bij dit proces wordt warmte overgedragen door elektromagnetische straling.
Convectie is het proces waarbij warmte wordt overgedragen tussen hitte-eilanden en de zeebries. Bij dit proces wordt warmte overgedragen door een vloeibaar medium, in dit geval lucht, door zijn bewegingen. Bij convectie wordt de warme lucht die uitzet, minder dicht en stijgt op. De koelere lucht op grotere hoogten, dichter, daalt en creëert luchtstromen die warmte uitwisselen.
Oefeningen op latente warmte en gevoelige warmte
Oefening 12
(Enem 2015) De hoge verbrandingstemperaturen en wrijving tussen de bewegende delen zijn enkele van de factoren die ervoor zorgen dat verbrandingsmotoren opwarmen. Om oververhitting en daaruit voortvloeiende schade aan deze motoren te voorkomen, zijn de huidige koelsystemen ontwikkeld, waarin een vloeistof koeler met speciale eigenschappen circuleert door het interieur van de motor en absorbeert de warmte die, wanneer deze door de radiator gaat, wordt overgebracht naar de atmosfeer.
Welke eigenschap moet de koelvloeistof hebben om zijn doel het meest efficiënt te vervullen?
a) Hoge soortelijke warmte.
b) Hoge latente smeltwarmte.
c) Lage thermische geleidbaarheid.
d) Lage kooktemperatuur.
e) Hoge thermische uitzettingscoëfficiënt.
Correct antwoord: a) Hoge soortelijke warmte.
Soortelijke warmte is een eigenschap van het materiaal, in dit geval het koelmiddel. Het geeft de hoeveelheid warmte aan die het nodig heeft om te ontvangen of weg te geven voor één massa-eenheid, om één eenheid van temperatuur te variëren.
Met andere woorden, hoe hoger de soortelijke warmte, hoe meer warmte het kan ontvangen zonder de temperatuur te veel te verhogen. Stoffen met een hoge soortelijke warmte zijn minder gevoelig voor temperatuurveranderingen.
Op deze manier kan de koelvloeistof met een hoge soortelijke warmte een grotere hoeveelheid thermische energie van de motor "verzamelen" zonder te koken.
Oefening 13
(FATEC 2014) In een klas in de discipline natuurkunde in de cursus Lassen bij Fatec, neemt de verantwoordelijke leraar met de studenten een onderwerp op dat ze op de middelbare school hadden gezien. Legt uit hoe de analyse van een toestandsveranderingsgrafiek van een bepaalde hypothetische zuivere stof moet worden uitgevoerd. Hiervoor hoeven we alleen de fysieke grootheden te evalueren die op de assen worden weergegeven en de grafiek die wordt gevormd door de relatie tussen deze grootheden. In deze grafiek geeft het gedeelte met een helling een verandering in temperatuur aan als gevolg van energieabsorptie, en het gedeelte met een plateau (horizontaal gedeelte) geeft een toestandsverandering aan als gevolg van energieabsorptie.
Na deze uitleg vraagt hij de leerlingen wat de totale hoeveelheid energie was die door de werd geabsorbeerd stof tussen het einde van de toestandsverandering voor de vloeistof, tot het einde van de toestandsverandering voor de gasvormig.
Het juiste antwoord op deze vraag, in calorieën, is:
a) 2000.
b) 4000.
c) 6.000.
d) 10 000.
e) 14 000.
Correct antwoord: d) 10 000.
Deze verandering vindt plaats tussen de 4000 en 14000 calorieën. De stof is volledig in vloeibare toestand wanneer de helling begint na het eerste plateau. De transformatie van vloeibare naar gasvormige fase vindt plaats op het tweede plateau.
Oefeningen op thermische dilatatie
Oefening 14
(URCA 2012) De straal van de basis van een metalen kegel, waarvan de dichtheid gelijk is aan 10 g/cm3, heeft bij 0°C een initiële lengte Ro = 2 cm. Door deze kegel te verhitten tot een temperatuur van 100°C, varieert de hoogte Δh = 0,015 cm. Met een kegelmassa van 100 g is de gemiddelde lineaire uitzettingscoëfficiënt van het materiaal:
Correct antwoord:
Objectief: bepaal de lineaire uitzettingscoëfficiënt ().
Gegevens = 0,015 cm
Initiële straal, = 2 cm = 100°C
massa, m = 100 g
dichtheid, d = 10 g/cm3
Wiskundig en fysisch model van lineaire thermische uitzetting
Waar, is de lineaire uitzettingscoëfficiënt.
is de hoogtevariatie.
is de starthoogte.
is de variatie in temperatuur.
Isoleren ,
en
Ze zijn voorzien. Op deze manier bepalen
, het is noodzakelijk om te bepalen
.
Om te bepalen laten we de volume- en dichtheidsverhoudingen gebruiken.
kegel volume
Dikte
Isoleren V,
De waarde van V en r in de volumevergelijking substitueren en maken = 3,
Nu kunnen we vervangen in de vergelijking van de thermische uitzettingscoëfficiënt,
veranderen in wetenschappelijke notatie
0,0006 =
leer meer over
- warmte en temperatuur.
- warmtevoortplanting
- gevoelige warmte
- Specifieke hitte
- Thermische energie
- Thermische expansie
- thermische capaciteit:
- thermische geleiding
- Thermische convectie
- thermische straling
