Studiați temperatura și căldura cu lista de exerciții pe: setarea temperaturii și căldurii, dilatare și echilibru termic, scale termometrice, transfer de căldură, căldură latentă și sensibilă. Există mai multe exerciții rezolvate și comentate pentru ca tu să înveți și să-ți rezolvi îndoielile.
Exerciții de setare a temperaturii și căldurii
Exercitiul 1
Definiți și diferențiați temperatura și căldura.
Temperatura este o măsură a stării termice a unui corp fizic sau a unui sistem. Determină gradul de agitație al particulelor care alcătuiesc acest sistem.
Temperatura este deci o cantitate, ceva ce poate fi măsurat. În Sistemul Internațional de Unități, unitatea de măsură a temperaturii este Kelvin (K). Alte unități comune sunt Celsius (°C) și Fahrenheit (°F).
Căldura este mișcarea energiei termice. Energia termică este transferată de la corpuri mai energetice, cu o temperatură mai mare, către corpuri și sisteme mai puțin energetice, cu o temperatură mai scăzută. Acest transfer de energie are loc prin procese precum: conducție, convecție și iradiere.
Deoarece căldura este o formă de energie, în Sistemul Internațional de Unități se măsoară în jouli (J). O altă măsură comună pentru căldură este caloriile (lai).
Principala diferență dintre temperatură și căldură este că temperatura este o măsură a stării termice, în timp ce căldura este transferul de energie termică între corpuri.
Exercițiul 2
Definiți ce este echilibrul termic.
Echilibrul termic este starea în care diferite corpuri din același mediu se află la aceeași temperatură, adică au aceeași stare termică.
Deoarece căldura este transferul de energie termică de la corpurile mai calde la cele mai reci, corpurile anterior mai fierbinți se răcesc pe măsură ce degajă căldură. Pe de altă parte, corpurile care primesc această căldură, care înainte erau mai reci, se încălzesc.
Această variație de temperatură încetează atunci când nu mai există căldură între corpuri, ceea ce înseamnă că nu mai există transfer de energie termică între ele. În această stare, temperaturile lor sunt aceleași.
Exercițiul 3
Explicați următorul fenomen:
Laura tocmai s-a trezit și s-a ridicat din pat într-o zi rece de iarnă. După ce se ridică din patul ei cald, își atinge picioarele de podeaua mochetă a dormitorului ei și se simte confortabil, chiar și în picioarele goale. Când intri în bucătărie, picioarele goale simt o senzație de frig când ating podeaua cu gresie.
Întregul mediu al casei a fost expus la aceleași condiții de temperatură pe tot parcursul nopții. De ce simte Laura senzații diferite când merge desculță în dormitor și în bucătărie?
Senzațiile de cald și frig sunt legate de mai mulți factori, unii chiar subiectivi. Oameni diferiți pot simți și percepe aceeași temperatură în moduri diferite. Totuși, în text, aceeași persoană are senzații diferite într-un mediu care se presupune a fi în echilibru termic, adică în care corpurile sunt la aceeași temperatură.
Singura diferență este materialul cu care intră în contact. Coeficientul de conductivitate termică este o proprietate a materialelor și indică cât de ușor este transferată energia termică. Cu cât valoarea conductibilității termice este mai mare, cu atât transferul energiei termice este mai ușor.
Deoarece parchetul ceramic are o conductivitate termică mai mare decât covorul de lână sau bumbac, corpul Laurei pierde mult. mai multa energie cand merge prin bucatarie decat cand merge pe covor, ceea ce o face sa interpreteze ca podeaua este mai mult rece.
Exerciții privind echilibrul termic
Exercițiul 4
(IFF 2016) În activitatea de laborator, profesorul de Fizică propune elevilor să amestece 1L de apă la temperatura de 100°C cu 500 ml de apă la 4°C. Cu toate acestea, înainte de amestecarea și măsurarea temperaturii de echilibru termic, elevii trebuie să calculeze temperatura de echilibru termic. Luați în considerare pierderile termice neglijabile și că rezultatul teoretic este egal cu valoarea experimentală. Se poate spune că această temperatură de echilibru este valabilă:
a) 68°C.
b) 74°C.
c) 80°C.
d) 32°C.
e) 52°C.
Răspuns corect: a) 68°C.
Obiectiv: determinați temperatura de echilibru termic ().
Date:
1L = 1000 ml apă la 100°C;
500 ml apă la 4°C
Model fizic și matematic
În echilibru termic nu mai există transfer de energie termică, deci suma căldurilor porțiunilor de apă la 100°C și 4°C este egală cu zero.
Deoarece de ambele părți ale ecuației căldura specifică este aceeași, le putem anula.
Prin urmare, temperatura de echilibru va fi de 68°C.
Exerciții pe cântare termometrice
Exerciții 5
(SENAC - SP 2013) Sosirea omului pe Lună a avut loc în 1969. Structura lunii este stâncoasă și practic nu are atmosferă, ceea ce înseamnă că ziua temperatura ajunge la 105 °C, iar noaptea scade la −155 °C.
Această variație termică, măsurată pe scara de temperatură Fahrenheit, este valabilă
a) 50.
b) 90.
c) 292.
d) 468.
e) 472.
Răspuns corect: d) 468.
Relația dintre scala Celsius °C și scala °F este dată de:
Unde,
este variația temperaturii în grade Celsius și,
este variația pe Fahrenheit.
Temperatura de pe suprafața lunii variază între 105°C și noaptea -155°C. Prin urmare, variația totală este de 260°C.
105 - (-155) = 260
Inlocuind in formula, avem:
Exerciții 6
(UESPI 2010) Un student citește romanul științifico-fantastic „Fahrenheit 451” de Ray Bradbury. Într-un anumit pasaj, unul dintre personaje susține că 451 °F este temperatura de pe scara Fahrenheit la care arde hârtia din care sunt făcute cărțile. Elevul știe că, la această scară, temperaturile de topire și de fierbere ale apei sunt de 32°F, respectiv 212°F. El concluzionează pe bună dreptate că 451°F este aproximativ echivalent cu:
a) 100 °C
b) 205 °C
c) 233 °C
d) 305 °C
e) 316 °C
Răspuns corect: c) 233 °C.
Scalele Celsius și Fahrenheit sunt legate prin:
Înlocuirea 451°F cu , noi avem:
Dintre opțiunile de răspuns, 233°C este cea mai apropiată.
Exerciții 7
(FATEC 2014) În timpul unei curse de Formula Indy sau Formula 1, piloții sunt supuși unui micromediu fierbinte în cockpit care atinge 50°C, generată de diverse surse de căldură (de la soare, motor, teren, metabolismul creierului, activitatea musculară etc.). Această temperatură este mult peste temperatura medie tolerabilă a corpului, așa că ar trebui să fie întotdeauna în stare fizică bună.
Cursele cu Formula Indy sunt mai tradiționale în SUA, unde citirea temperaturii este adoptată pe scara Fahrenheit. Pe baza informațiilor prezentate în text, este corect să afirmăm că temperatura în cockpit la care o atinge o mașină Formula Indy în timpul cursei, în grade Fahrenheit, este
Date:
Temperatura de topire a gheții = 32°F;
Temperatura apei de fierbere = 212°F.
a) 32.
b) 50.
c) 82.
d) 122.
e) 212.
Răspuns corect: d) 122
Pentru a lega cele două temperaturi, folosim ecuația:
înlocuind pentru 50 și rezolvând pentru
, noi avem:
Prin urmare, temperatura din cockpit în Fahrenheit este de 122°F.
Exerciții de propagare a căldurii
Exercițiul 8
(Enem 2021) Într-un manual de instrucțiuni pentru un frigider, există următoarele recomandări:
• Țineți ușa frigiderului deschisă doar atât timp cât este necesar;
• Este important să nu obstrucționați circulația aerului cu o distribuție proastă a alimentelor pe rafturi;
• Lăsați un spațiu de cel puțin 5 cm între partea din spate a produsului (radiator cu serpentine) și perete.
Pe baza principiilor termodinamicii, justificările acestor recomandări sunt, respectiv:
a) Reduceți puterea de frig de la frigider către mediu, asigurați transmiterea frigului între alimentele de pe raft și permiteți schimbul de căldură între radiator și mediu.
b) Reduceți puterea de frig a frigiderului către mediu, garantați convecția aerului interior, garantați izolarea termică între părțile interioare și exterioare.
c) Reduceți fluxul de căldură din mediu către interiorul frigiderului, asigurați convecția aerului interior și permiteți schimbul de căldură între radiator și mediu.
d) Reduceți fluxul de căldură din mediu către interiorul frigiderului, asigurați transmiterea frigul dintre alimentele de pe raft și permit schimbul de căldură între chiuvetă și mediu.
e) Reduce fluxul de căldură din mediu către interiorul frigiderului, garantează convecția aerului interior și garantează izolarea termică între părțile interioare și exterioare.
Răspuns corect: c) Reduceți fluxul de căldură din cameră către interiorul frigiderului, asigurați convecția aerului interior și permiteți schimbul de căldură între radiator și mediu.
Menținerea ușii frigiderului închisă, deschizând doar ceea ce este necesar, împiedică pătrunderea căldurii din mediul exterior.
În interiorul frigiderului, schimburile de căldură între mediul interior rece și alimente produc curenți de aer prin convecție. Acești curenți sunt necesari pentru răcirea alimentelor.
Căldura preluată din alimente și schimbată cu agentul frigorific al frigiderului este transportată la radiatorul din spate. Această căldură va fi schimbată cu mediul, în principal prin convecție, deci este nevoie de spațiu.
Exercițiul 9
(UEPB 2009) Un copil căruia i-a plăcut brigadeiro a decis să facă această bomboană și pentru asta a început să separe ingredientele și ustensilele. Inițial a luat cutia de lapte condensat, ciocolata pudră și margarina, apoi o tigaie și o lingură de oțel și un deschizător de conserve. Copilul a făcut o gaură în cutie pentru a scurge laptele condensat în tigaie. Mama lui, vazand acea atitudine, i-a sugerat fiului sa mai faca o gaura in cutie, ca sa poata scoate mai usor acel lichid. Când a pus oala pe foc pentru a amesteca brigadeiro, copilul a simțit că, după câteva minute, mânerul lingurii s-a încălzit și s-a plâns: „Mamă, lingura îmi arde mâna”. Așa că, mama lui l-a rugat să folosească o lingură de lemn pentru a preveni arsurile.
Despre încălzirea lingurii evidențiată în plângerea copilului că îi ardea mâna, putem spune că
a) cu o lingura de lemn, care este un excelent izolator termic, se incalzeste mai repede decat o lingura de otel.
b) se întâmplă deoarece particulele care alcătuiesc lingura creează curenți de convecție, încălzind-o complet, de la un capăt la altul.
c) din cauza iradierii, lingura se încălzește complet, de la un capăt la altul.
d) cu o lingura de lemn, care este un excelent conductor termic, se incalzeste mai repede decat o lingura de otel.
e) se întâmplă deoarece particulele care alcătuiesc lingura încep să conducă căldura absorbită acolo de la un capăt la altul.
Răspuns corect: e) se întâmplă pentru că particulele care alcătuiesc lingura încep să conducă căldura absorbită acolo de la un capăt la altul.
Procesul de propagare a căldurii este de conducție. Doar energia este transferată dintr-o particulă în mediul înconjurător. Metalele sunt excelente transmițătoare de căldură.
Exercițiul 10
(Enem 2016) Într-un experiment, un profesor lasă două tăvi de aceeași masă, una de plastic și cealaltă de aluminiu, pe masa de laborator. După câteva ore, el le cere elevilor să evalueze temperatura celor două tăvi, folosind atingerea. Elevii săi susțin categoric că tava de aluminiu este la o temperatură mai scăzută. Intrigat, își propune o a doua activitate, în care pune pe fiecare dintre tăvi câte un cub de gheață, care sunt în echilibru termic cu mediul înconjurător și îi întreabă la ce viteza de topire a gheții va fi mai mare.
Elevul care răspunde corect la întrebarea profesorului va spune că se va produce topirea
a) mai rapid pe tava din aluminiu, deoarece are o conductivitate termică mai mare decât plasticul.
b) mai rapid pe tava din plastic, intrucat are initial o temperatura mai mare decat cea din aluminiu.
c) mai rapid pe tava din plastic, intrucat are o capacitate termica mai mare decat cea din aluminiu.
d) mai rapid pe tava de aluminiu, deoarece are o caldura specifica mai mica decat cea din plastic.
e) cu aceeași viteză pe ambele tăvi, întrucât vor avea aceeași variație de temperatură.
Răspuns corect: a) mai rapid pe tava din aluminiu, deoarece are o conductivitate termică mai mare decât cea din plastic.
Gheața se topește mai repede în tavă, ceea ce transferă căldura la o rată mai mare, adică mai repede. Deoarece metalele au o conductivitate termică mai mare, tava de aluminiu transferă mai multă căldură către gheață și se va topi mai repede.
Exercițiul 11
(Enem 2021) În orașul São Paulo, insulele de căldură sunt responsabile pentru schimbarea direcției fluxului brizei mării care ar trebui să ajungă în regiunea de primăvară. Dar când traversează insula de căldură, briza mării întâlnește acum un flux de aer vertical, care se transferă pentru ea energia termică absorbită de pe suprafețele fierbinți ale orașului, deplasându-l în locuri înalte altitudini. În acest fel, este condens și ploi abundente în centrul orașului, nu în regiunea de primăvară. Imaginea prezintă cele trei subsisteme care fac schimb de energie în acest fenomen.
Aceste mecanisme sunt, respectiv,
a) iradiere și convecție.
b) iradierea şi iradierea.
c) conducerea si iradierea.
d) convecţie şi iradiere.
e) convecţie şi convecţie.
Răspuns corect: a) iradiere și convecție.
Iradierea este procesul de transfer de căldură între soare și orașe. În acest proces, căldura este transferată prin radiație electromagnetică.
Convecția este procesul de transfer de căldură între insulele de căldură și briza mării. În acest proces, căldura este transferată printr-un mediu fluid, în acest caz, aerul, prin mișcările sale. În convecție, aerul fierbinte care se extinde, devine mai puțin dens și se ridică. Aerul mai rece la altitudini mai mari, mai dens, coboară creând curenți de aer care fac schimb de căldură.
Exerciții privind căldura latentă și căldura sensibilă
Exercițiul 12
(Enem 2015) Temperaturile ridicate de ardere și frecarea dintre piesele sale mobile sunt câțiva dintre factorii care provoacă încălzirea motoarelor cu ardere internă. Pentru a preveni supraîncălzirea și deteriorarea în consecință a acestor motoare, au fost dezvoltate sisteme de răcire actuale, în care un fluid răcitorul cu proprietăți speciale circulă prin interiorul motorului, absorbind căldura care, la trecerea prin radiator, este transferată către atmosfera.
Ce proprietăți trebuie să aibă lichidul de răcire pentru a-și îndeplini scopul cel mai eficient?
a) Căldura specifică mare.
b) Căldura latentă mare de fuziune.
c) Conductivitate termică scăzută.
d) Temperatura scăzută de fierbere.
e) Coeficient ridicat de dilatare termică.
Răspuns corect: a) Căldura specifică mare.
Căldura specifică este o proprietate a materialului, în acest caz, lichidul de răcire. Indică cantitatea de căldură pe care trebuie să o primească sau să cedeze pentru o unitate de masă, pentru a varia o unitate de temperatură.
Cu alte cuvinte, cu cât căldura specifică este mai mare, cu atât poate primi mai multă căldură fără a-și crește prea mult temperatura. Substanțele cu căldură specifică mare au o sensibilitate mai mică la schimbarea temperaturii.
În acest fel, lichidul de răcire cu căldură specifică ridicată poate „colecta” o cantitate mai mare de energie termică din motor fără a fierbe.
Exercițiul 13
(FATEC 2014) Într-o clasă la disciplina Fizică la cursul de Sudură de la Fatec, profesorul responsabil preia cu elevii o temă pe care o văzuseră în liceu. Explică modul de realizare a analizei unui grafic de schimbare a stării unei substanțe pure ipotetice date. Pentru aceasta, trebuie doar să evaluăm mărimile fizice reprezentate pe axe și graficul format din relația dintre aceste mărimi. În acest grafic, secțiunea care prezintă o înclinație indică o modificare a temperaturii datorită absorbției de energie, iar cea care prezintă un platou (secțiune orizontală) indică o schimbare de stare datorită absorbției de energie.
După această explicație, el îi întreabă pe elevi care a fost cantitatea totală de energie absorbită de substanță între sfârșitul schimbării de stare pentru lichid, până la sfârșitul schimbării de stare pentru gazos.
Răspunsul corect la această întrebare, în calorii, este
a) 2000.
b) 4000.
c) 6.000.
d) 10 000.
e) 14 000.
Răspuns corect: d) 10 000.
Această schimbare are loc între 4000 și 14000 de calorii. Substanța este complet în stare lichidă când rampa începe după primul platou. Transformarea din fază lichidă în fază gazoasă are loc pe al doilea platou.
Exerciții de dilatare termică
Exercițiul 14
(URCA 2012) Raza bazei unui con metalic, a cărui densitate este egală cu 10 g/cm3, are la 0°C o lungime inițială Ro = 2 cm. Prin încălzirea acestui con până la o temperatură de 100°C, înălțimea lui variază Δh = 0,015 cm. Cu o masă conică de 100 g, coeficientul mediu de dilatare liniară al materialului este:
Raspuns corect:
Obiectiv: determinați coeficientul de dilatare liniară ().
Date = 0,015 cm
Raza inițială, = 2 cm = 100°C
masa, m = 100 g
densitate, d = 10 g/cm3
Model matematic și fizic de dilatare termică liniară
Unde, este coeficientul de dilatare liniară.
este variația înălțimii.
este înălțimea de pornire.
este variația temperaturii.
Izolare ,
și
Sunt furnizate. În acest fel, pentru a determina
, este necesar să se determine
.
A determina să folosim raporturile de volum și densitate.
volumul conului
Densitate
Izolarea V,
Înlocuind valoarea lui V și r în ecuația de volum și făcând = 3,
Acum putem înlocui în ecuația coeficientului de dilatare termică,
transformându-se în notaţie ştiinţifică
0,0006 =
află mai multe despre
- caldura si temperatura.
- propagarea căldurii
- căldură sensibilă
- Căldura specifică
- Energie termală
- Dilatare termică
- Capacitate termică
- conductie termica
- Convecție termică
- Iradiere termică
