Studer temperatur og varme med listen over øvelser om: innstilling av temperatur og varme, ekspansjon og termisk likevekt, termometriske skalaer, varmeoverføring, latent og sensibel varme. Det er flere løste og kommenterte øvelser for deg å lære og løse tvilen din.
Øvelser på innstilling av temperatur og varme
Øvelse 1
Definer og differensier temperatur og varme.
Temperatur er et mål på den termiske tilstanden til en fysisk kropp eller system. Det bestemmer graden av agitasjon av partiklene som utgjør dette systemet.
Temperatur er derfor en størrelse, noe som kan måles. I International System of Units er måleenheten for temperatur Kelvin (K). Andre vanlige enheter er Celsius (°C) og Fahrenheit (°F).
Varme er bevegelsen av termisk energi. Termisk energi overføres fra mer energiske legemer, med høyere temperatur, til mindre energiske legemer og systemer, med lavere temperatur. Denne energioverføringen skjer gjennom prosesser som: ledning, konveksjon og bestråling.
Siden varme er en form for energi, i International System of Units måles den i joule (J). Et annet vanlig mål for varme er kalori (kalk).
Hovedforskjellen mellom temperatur og varme er at temperatur er et mål på den termiske tilstanden mens varme er overføringen av termisk energi mellom legemer.
Øvelse 2
Definer hva som er termisk likevekt.
Termisk likevekt er tilstanden der forskjellige kropper i samme miljø har samme temperatur, det vil si at de har samme termiske tilstand.
Siden varme er overføringen av termisk energi fra varmere kropper til kjøligere, avkjøles tidligere varmere kropper når de avgir varme. På den annen side blir kropper som mottar denne varmen, som var kaldere før, varme.
Denne temperaturvariasjonen opphører når det ikke er mer varme mellom kroppene, noe som betyr at det ikke lenger er overføring av termisk energi mellom dem. I denne tilstanden er temperaturene de samme.
Øvelse 3
Forklar følgende fenomen:
Laura har nettopp våknet og reist seg ut av sengen en kald vinterdag. Etter å ha kommet seg ut av den varme sengen sin, berører hun føttene mot det teppebelagte gulvet på soverommet og føler seg komfortabel, selv på bare føtter. Når du går inn på kjøkkenet, føler de bare føttene en kald følelse når du berører flisgulvet.
Hele husets miljø ble utsatt for de samme temperaturforholdene hele natten. Hvorfor føler Laura forskjellige opplevelser når hun går barbeint på soverommet og på kjøkkenet?
Følelsene av varmt og kaldt er relatert til flere faktorer, noen til og med subjektive. Ulike mennesker kan føle og oppfatte samme temperatur på forskjellige måter. Men i teksten har samme person forskjellige sansninger i et miljø som skal være i termisk likevekt, det vil si der kroppene har samme temperatur.
Den eneste forskjellen er materialet den kommer i kontakt med. Den termiske konduktivitetskoeffisienten er en egenskap ved materialer og indikerer hvor lett termisk energi overføres. Jo høyere varmeledningsevneverdien er, desto lettere er overføringen av termisk energi.
Ettersom keramiske gulv har større varmeledningsevne enn ull- eller bomullstepper, mister Lauras kropp mye. mer energi når hun går gjennom kjøkkenet enn når hun går på teppet, noe som får henne til å tolke at gulvet er mer kald.
Øvelser om termisk likevekt
Øvelse 4
(IFF 2016) I laboratorieaktiviteten foreslår fysikklæreren at elevene blander 1L vann ved en temperatur på 100°C med 500 mL vann ved 4°C. Men før de blander og måler den termiske likevektstemperaturen, må elevene beregne den termiske likevektstemperaturen. Tenk på ubetydelige termiske tap og at det teoretiske resultatet er lik den eksperimentelle verdien. Det kan sies at denne likevektstemperaturen er gyldig:
a) 68°C.
b) 74°C.
c) 80°C.
d) 32°C.
e) 52°C.
Riktig svar: a) 68°C.
Objektiv: bestemme den termiske likevektstemperaturen ().
Data:
1 L = 1000 ml vann ved 100°C;
500 ml vann ved 4°C
Fysisk og matematisk modell
I termisk likevekt er det ikke lenger overføring av termisk energi, så summen av varmen til vanndelene ved 100°C og 4°C er lik null.
Siden den spesifikke varmen på begge sider av ligningen er den samme, kan vi kansellere dem.
Derfor vil likevektstemperaturen være 68°C.
Øvelser på termometriske skalaer
Øvelser 5
(SENAC - SP 2013) Menneskets ankomst på månen skjedde i 1969. Månens struktur er steinete og har praktisk talt ingen atmosfære, noe som betyr at om dagen når temperaturen 105 °C og om natten synker den til -155 °C.
Denne termiske variasjonen, målt på Fahrenheit temperaturskalaen, er gyldig
a) 50.
b) 90.
c) 292.
d) 468.
e) 472.
Riktig svar: d) 468.
Forholdet mellom Celsius °C-skalaen og °F-skalaen er gitt av:
Hvor,
er temperaturvariasjonen i grader Celsius og,
er varianten av Fahrenheit.
Temperaturen på månens overflate varierer mellom 105°C og om natten -155°C. Derfor er den totale variasjonen 260°C.
105 - (-155) = 260
Ved å erstatte i formelen har vi:
Øvelser 6
(UESPI 2010) En student leser science fiction-romanen «Fahrenheit 451» av Ray Bradbury. I en viss passasje hevder en av karakterene at 451 °F er temperaturen på Fahrenheit-skalaen som papiret som bøkene er laget av, brenner. Eleven vet at på denne skalaen er smelte- og koketemperaturene til vann henholdsvis 32°F og 212°F. Han konkluderer med rette med at 451°F tilsvarer omtrent:
a) 100 °C
b) 205°C
c) 233°C
d) 305°C
e) 316°C
Riktig svar: c) 233 °C.
Celsius- og Fahrenheit-skalaene er relatert til:
Erstatter 451°F med , vi har:
Av svaralternativene er 233°C det nærmeste.
Øvelser 7
(FATEC 2014) Under et Formel Indy- eller Formel 1-løp blir sjåførene utsatt for et varmt mikromiljø i cockpiten som den når 50°C, generert av ulike varmekilder (fra sola, motor, terreng, hjernemetabolisme, muskelaktivitet etc.). Denne temperaturen er langt over den tålelige gjennomsnittlige kroppstemperaturen, så de bør alltid være i god fysisk form.
Formel Indy-racing er mer tradisjonelt i USA, hvor temperaturavlesning er tatt i bruk på Fahrenheit-skalaen. Basert på informasjonen som presenteres i teksten, er det riktig å si at cockpittemperaturen som en Formula Indy-bil når under løpet, i Fahrenheit-grad, er
Data:
Issmeltetemperatur = 32°F;
Kokende vanntemperatur = 212°F.
a) 32.
b) 50.
c) 82.
d) 122.
e) 212.
Riktig svar: d) 122
For å relatere de to temperaturene bruker vi ligningen:
erstatte for 50 og løse for
, vi har:
Derfor er temperaturen i cockpiten i Fahrenheit 122°F.
Øvelser på varmespredning
Øvelse 8
(Enem 2021) I en bruksanvisning for et kjøleskap er det følgende anbefalinger:
• Hold kjøleskapsdøren åpen bare så lenge det er nødvendig;
• Det er viktig å ikke hindre luftsirkulasjonen med dårlig fordeling av mat i hyllene;
• La det være et mellomrom på minst 5 cm mellom baksiden av produktet (serpentinkjøleribben) og veggen.
Basert på termodynamikkens prinsipper er begrunnelsen for disse anbefalingene henholdsvis:
a) Reduser kuldeeffekten fra kjøleskapet til miljøet, sørg for overføring av kulde mellom matvarene på hyllen og tillat varmeveksling mellom kjøleribben og omgivelsene.
b) Reduser kuldeeffekten til kjøleskapet til miljøet, garanterer konveksjon av den indre luften, garanterer termisk isolasjon mellom de indre og eksterne delene.
c) Reduser varmestrømmen fra omgivelsene til innsiden av kjøleskapet, sørg for konveksjon av den indre luften og tillat utveksling av varme mellom kjøleribben og omgivelsene.
d) Reduser varmestrømmen fra omgivelsene til innsiden av kjøleskapet, sørg for overføring kulden mellom matvarene på hyllen og tillate utveksling av varme mellom vasken og omgivelsene.
e) Reduser varmestrømmen fra omgivelsene til innsiden av kjøleskapet, garanterer konveksjon av den indre luften og garanterer termisk isolasjon mellom de indre og ytre delene.
Riktig svar: c) Reduser varmestrømmen fra rommet til innsiden av kjøleskapet, sørg for konveksjon av den indre luften og tillat varmevekslingen mellom kjøleribben og omgivelsene.
Å holde kjøleskapsdøren lukket, bare åpne det nødvendige, forhindrer inntrengning av varme fra det ytre miljøet.
Inne i kjøleskapet produserer varmevekslinger mellom det kalde innemiljøet og maten luftstrømmer gjennom konveksjon. Disse strømmene er nødvendige for å kjøle mat.
Varmen som tas fra maten og utveksles med kjøleskapets kjølemedium, transporteres til kjøleribben på baksiden. Denne varmen vil bli utvekslet med omgivelsene, hovedsakelig ved konveksjon, så det trengs plass.
Øvelse 9
(UEPB 2009) Et barn som likte brigadeiro bestemte seg for å lage dette godteriet, og for det begynte han å skille ingrediensene og redskapene. Til å begynne med tok han boksen med kondensert melk, pulversjokoladen og margarinen, deretter en stålpanne og -skje og en boksåpner. Barnet boret et hull i boksen for å tømme den kondenserte melken i pannen. Moren hans, som så den holdningen, foreslo at sønnen skulle bore et nytt hull i boksen, slik at han lettere kunne fjerne den væsken. Da barnet satte gryten på bålet for å røre brigadeiroen, følte barnet at håndtaket på skjeen etter noen minutter var varmet opp og klaget: "Mor, skjeen brenner i hånden min". Så moren hans ba ham bruke en tresleiv for å forhindre brannskader.
Om oppvarmingen av skjeen bevist i barnets klage på at hånden hans brant, kan vi si at
a) med en tresleiv, som er en utmerket termisk isolator, varmes den opp raskere enn en stålskje.
b) det skjer fordi partiklene som utgjør skjeen, lager konveksjonsstrømmer, og varmer den helt opp fra den ene enden til den andre.
c) på grunn av bestråling varmes skjeen helt opp, fra den ene enden til den andre.
d) med en tresleiv, som er en utmerket varmeleder, varmes den opp raskere enn en stålskje.
e) det skjer fordi partiklene som utgjør skjeen begynner å lede varmen som absorberes der fra den ene enden til den andre.
Riktig svar: e) det skjer fordi partiklene som utgjør skjeen begynner å lede varmen som absorberes der fra den ene enden til den andre.
Varmeforplantningsprosessen er ledning. Bare energi overføres fra en partikkel til omgivelsene. Metaller er utmerkede varmetransmittere.
Øvelse 10
(Enem 2016) I et eksperiment legger en lærer to brett av samme masse, det ene plast og det andre aluminium, på laboratoriebordet. Etter noen timer ber han elevene vurdere temperaturen på de to skuffene ved hjelp av berøring. Elevene hans hevder kategorisk at aluminiumsbrettet har lavere temperatur. Interessert foreslår han en annen aktivitet, der han plasserer en isbit på hvert av brettene, som er i termisk likevekt med miljøet, og spør dem med hvilken hastigheten på issmeltingen vil være større.
Eleven som svarer riktig på lærerens spørsmål vil si at smeltingen vil skje
a) raskere på aluminiumsbrettet, da det har høyere varmeledningsevne enn plast.
b) raskere på plastbrettet, da det i utgangspunktet har høyere temperatur enn aluminiumet.
c) raskere på plastbrettet, da det har høyere termisk kapasitet enn aluminium.
d) raskere på aluminiumsbrettet, da det har lavere spesifikk varme enn plast.
e) med samme hastighet på begge brettene, da de vil ha samme temperaturvariasjon.
Riktig svar: a) raskere på aluminiumsbrettet, da det har høyere varmeledningsevne enn det plastiske.
Is smelter raskere i brettet som overfører varme med en høyere hastighet dvs. raskere. Ettersom metaller har større varmeledningsevne, overfører aluminiumsbrettet mer varme til isen, og det vil smelte raskere.
Øvelse 11
(Enem 2021) I byen São Paulo er varmeøyene ansvarlige for å endre retningen på strømmen av havbrisen som skal nå vårregionen. Men når du krysser varmeøya, møter havbrisen nå en vertikal luftstrøm, som overføres for henne absorberes den termiske energien fra byens varme overflater og flytter den til høye steder høyder. På denne måten blir det kondens og kraftig regn i sentrum av byen, i stedet for i vårregionen. Bildet viser de tre delsystemene som utveksler energi i dette fenomenet.
Disse mekanismene er hhv.
a) bestråling og konveksjon.
b) bestråling og bestråling.
c) ledning og bestråling.
d) konveksjon og bestråling.
e) konveksjon og konveksjon.
Riktig svar: a) bestråling og konveksjon.
Bestråling er prosessen med å overføre varme mellom solen og byer. I denne prosessen overføres varme av elektromagnetisk stråling.
Konveksjon er prosessen med å overføre varme mellom varmeøyer og havbrisen. I denne prosessen overføres varme av et flytende medium, i dette tilfellet luft, gjennom dets bevegelser. Ved konveksjon blir den varme luften som utvider seg, mindre tett og stiger. Den kjøligere luften i høyere høyder, tettere, går ned og skaper luftstrømmer som utveksler varme.
Øvelser på latent varme og sensitiv varme
Øvelse 12
(Enem 2015) De høye forbrenningstemperaturene og friksjonen mellom de bevegelige delene er noen av faktorene som får forbrenningsmotorer til å varmes opp. For å forhindre overoppheting og påfølgende skade på disse motorene ble det utviklet nåværende kjølesystemer, der en væske kjøler med spesielle egenskaper sirkulerer gjennom det indre av motoren og absorberer varmen som, når den passerer gjennom radiatoren, overføres til atmosfære.
Hvilken egenskap må kjølevæsken ha for å oppfylle sitt formål mest effektivt?
a) Høy spesifikk varme.
b) Høy latent fusjonsvarme.
c) Lav varmeledningsevne.
d) Lav koketemperatur.
e) Høy termisk utvidelseskoeffisient.
Riktig svar: a) Høy spesifikk varme.
Spesifikk varme er en egenskap ved materialet, i dette tilfellet kjølevæsken. Den indikerer mengden varme den trenger for å motta eller gi bort for én enhet masse, for å variere én temperaturenhet.
Med andre ord, jo høyere spesifikk varme, jo mer varme kan den motta uten å øke temperaturen for mye. Stoffer med høy spesifikk varme har mindre følsomhet for temperaturendringer.
På denne måten kan kjølevæsken med høy spesifikk varme "samle" en større mengde termisk energi fra motoren uten å koke.
Øvelse 13
(FATEC 2014) I en klasse i faget fysikk i sveisekurset ved Fatec tar ansvarlig lærer opp med elevene et tema de hadde sett på videregående. Forklarer hvordan man utfører analysen av en tilstandsendringsgraf for et gitt hypotetisk rent stoff. For dette trenger vi bare å evaluere de fysiske mengdene representert på aksene og grafen dannet av forholdet mellom disse mengdene. I denne grafen indikerer seksjonen som presenterer en helning en endring i temperatur på grunn av energiabsorpsjon, og den som presenterer et platå (horisontalt snitt) indikerer en endring i tilstand på grunn av energiabsorpsjon.
Etter denne forklaringen spør han elevene hva som var den totale energimengden som ble absorbert av substans mellom slutten av tilstandsendringen for væsken, til slutten av tilstandsendringen for gassformig.
Det riktige svaret på dette spørsmålet, i kalorier, er
a) 2000.
b) 4000.
c) 6000.
d) 10 000.
e) 14 000.
Riktig svar: d) 10 000.
Denne endringen finner sted mellom 4000 og 14000 kalorier. Stoffet er helt i flytende tilstand når rampen starter etter det første platået. Transformasjonen fra flytende til gassfase skjer på det andre platået.
Øvelser på termisk dilatasjon
Øvelse 14
(URCA 2012) Radien til bunnen av en metallisk kjegle, hvis tetthet er lik 10 g/cm3, har ved 0°C en startlengde Ro = 2 cm. Ved å varme denne kjeglen opp til en temperatur på 100°C, varierer høyden Δh = 0,015 cm. Med en kjeglemasse på 100 g er den gjennomsnittlige lineære ekspansjonskoeffisienten for materialet:
Riktig svar:
Objektiv: bestemme koeffisienten for lineær ekspansjon ().
Data = 0,015 cm
Startradius, = 2 cm = 100°C
masse, m = 100 g
tetthet, d = 10 g/cm3
Matematisk og fysisk modell for lineær termisk ekspansjon
Hvor, er koeffisienten for lineær ekspansjon.
er høydevariasjonen.
er starthøyden.
er variasjonen i temperatur.
Isolerer ,
og
De er gitt. På denne måten, for å bestemme
, er det nødvendig å bestemme
.
Å bestemme la oss bruke volum- og tetthetsforhold.
kjeglevolum
Tetthet
Isoler V,
Å erstatte verdien av V og r i volumligningen og lage = 3,
Nå kan vi erstatte i ligningen av koeffisienten for termisk utvidelse,
blir til vitenskapelig notasjon
0,0006 =
lære mer om
- varme og temperatur.
- varmeutbredelse
- følsom varme
- Spesifikk varme
- Termisk energi
- Termisk ekspansjon
- Termisk kapasitet
- termisk ledning
- Termisk konveksjon
- Termisk bestråling