Studera temperatur och värme med övningslistan om: inställning av temperatur och värme, expansion och termisk jämvikt, termometriska skalor, värmeöverföring, latent och kännbar värme. Det finns flera lösta och kommenterade övningar för dig att lära dig och lösa dina tvivel.
Övningar om inställning av temperatur och värme
Övning 1
Definiera och differentiera temperatur och värme.
Temperatur är ett mått på det termiska tillståndet hos en fysisk kropp eller system. Det bestämmer graden av omrörning av partiklarna som utgör detta system.
Temperatur är därför en storhet, något som går att mäta. I International System of Units är måttenheten för temperatur Kelvin (K). Andra vanliga enheter är Celsius (°C) och Fahrenheit (°F).
Värme är rörelsen av termisk energi. Termisk energi överförs från mer energirika kroppar, med högre temperatur, till mindre energirika kroppar och system, med lägre temperatur. Denna energiöverföring sker genom processer som: ledning, konvektion och bestrålning.
Eftersom värme är en form av energi, mäts den i det internationella enhetssystemet i joule (J). Ett annat vanligt mått på värme är kalori (lime).
Huvudskillnaden mellan temperatur och värme är att temperaturen är ett mått på det termiska tillståndet medan värme är överföringen av termisk energi mellan kroppar.
Övning 2
Definiera vad som är termisk jämvikt.
Termisk jämvikt är det tillstånd där olika kroppar i samma miljö har samma temperatur, det vill säga de har samma termiska tillstånd.
Eftersom värme är överföringen av termisk energi från varmare kroppar till kallare, svalnar tidigare varmare kroppar när de avger värme. Å andra sidan blir kroppar som tar emot denna värme, som var kallare innan, varma.
Denna temperaturvariation upphör när det inte finns mer värme mellan kropparna, vilket innebär att det inte längre sker någon överföring av termisk energi mellan dem. I detta tillstånd är deras temperaturer desamma.
Övning 3
Förklara följande fenomen:
Laura har precis vaknat och gått upp ur sängen en kall vinterdag. Efter att ha stigit ur sin varma säng, rör hon med fötterna mot det heltäckande golvet i sitt sovrum och känner sig bekväm, även i hennes bara fötter. När du går in i köket känner dina bara fötter en kall känsla när du rör vid klinkergolvet.
Hela husets miljö utsattes för samma temperaturförhållanden under hela natten. Varför känner Laura olika känslor när hon går barfota i sovrummet och i köket?
Känslorna av varmt och kallt är relaterade till flera faktorer, vissa till och med subjektiva. Olika människor kan känna och uppfatta samma temperatur på olika sätt. Men i texten har samma person olika förnimmelser i en miljö som ska vara i termisk jämvikt, det vill säga där kropparna har samma temperatur.
Den enda skillnaden är materialet den kommer i kontakt med. Värmeledningskoefficienten är en egenskap hos material och indikerar hur lätt värmeenergi överförs. Ju högre värmeledningsförmåga, desto lättare är överföringen av värmeenergi.
Eftersom keramiska golv har större värmeledningsförmåga än ull eller bomullsmatta tappar Lauras kropp mycket. mer energi när hon går genom köket än när hon går på mattan, vilket får henne att tolka att golvet är mer kall.
Övningar om termisk jämvikt
Övning 4
(IFF 2016) I laborationsverksamheten föreslår fysikläraren att eleverna blandar 1L vatten vid en temperatur på 100°C med 500 mL vatten vid 4°C. Men innan man blandar och mäter den termiska jämviktstemperaturen måste eleverna beräkna den termiska jämviktstemperaturen. Tänk på försumbara värmeförluster och att det teoretiska resultatet är lika med experimentvärdet. Man kan säga att denna jämviktstemperatur är giltig:
a) 68°C.
b) 74°C.
c) 80°C.
d) 32°C.
e) 52°C.
Rätt svar: a) 68°C.
Mål: bestämma den termiska jämviktstemperaturen ().
Data:
1 L = 1000 ml vatten vid 100°C;
500 ml vatten vid 4°C
Fysisk och matematisk modell
I termisk jämvikt sker ingen mer överföring av termisk energi, så summan av värmen i vattendelarna vid 100°C och 4°C är lika med noll.
Eftersom den specifika värmen är densamma på båda sidor av ekvationen kan vi ta bort dem.
Därför blir jämviktstemperaturen 68°C.
Övningar på termometriska skalor
Övningar 5
(SENAC - SP 2013) Människans ankomst till månen hände 1969. Månens struktur är stenig och har praktiskt taget ingen atmosfär, vilket innebär att temperaturen under dagen når 105 °C och på natten sjunker den till -155 °C.
Denna termiska variation, mätt på Fahrenheit temperaturskalan, är giltig
a) 50.
b) 90.
c) 292.
d) 468.
e) 472.
Rätt svar: d) 468.
Förhållandet mellan Celsius °C-skalan och °F-skalan ges av:
Var,
är temperaturvariationen i grader Celsius och,
är variationen på Fahrenheit.
Temperaturen på månens yta varierar mellan 105°C och på natten -155°C. Därför är den totala variationen 260°C.
105 - (-155) = 260
Om vi ersätter i formeln har vi:
Övningar 6
(UESPI 2010) En student läser science fiction-romanen "Fahrenheit 451" av Ray Bradbury. I en viss passage hävdar en av karaktärerna att 451 °F är temperaturen på Fahrenheit-skalan vid vilken papperet som böcker är gjorda av förbränns. Eleven vet att på den här skalan är vattnets smält- och koktemperatur 32°F respektive 212°F. Han drar med rätta slutsatsen att 451°F är ungefär lika med:
a) 100°C
b) 205°C
c) 233°C
d) 305°C
e) 316°C
Rätt svar: c) 233 °C.
Celsius- och Fahrenheit-skalorna är relaterade till:
Ersätter 451°F med , vi har:
Av svarsalternativen är 233°C närmast.
Övningar 7
(FATEC 2014) Under ett Formel Indy- eller Formel 1-lopp utsätts förare för en het mikromiljö i sittbrunnen som den når 50°C, genererad av olika värmekällor (från solen, motorn, terrängen, hjärnans ämnesomsättning, muskelaktivitet etc.). Denna temperatur är långt över den tolererbara genomsnittliga kroppstemperaturen, så de bör alltid vara i gott fysiskt tillstånd.
Formel Indy-racing är mer traditionellt i USA, där temperaturavläsning används på Fahrenheit-skalan. Baserat på informationen som presenteras i texten är det korrekt att konstatera att cockpittemperaturen som en Formula Indy-bil når under loppet, i Fahrenheit-grad, är
Data:
Issmältningstemperatur = 32°F;
Kokvattentemperatur = 212°F.
a) 32.
b) 50.
c) 82.
d) 122.
e) 212.
Rätt svar: d) 122
För att relatera de två temperaturerna använder vi ekvationen:
byter ut för 50 och lösa för
, vi har:
Därför är temperaturen i cockpiten i Fahrenheit 122°F.
Övningar om värmeförökning
Övning 8
(Enem 2021) I en bruksanvisning för ett kylskåp finns följande rekommendationer:
• Håll din kylskåpsdörr öppen endast så länge som nödvändigt;
• Det är viktigt att inte hindra luftcirkulationen med dålig distribution av mat på hyllorna;
• Lämna ett utrymme på minst 5 cm mellan produktens baksida (serpentin kylfläns) och väggen.
Baserat på termodynamikens principer är motiveringarna för dessa rekommendationer, respektive:
a) Minska kyleffekten från kylen till miljön, se till att kyla överförs mellan maten på hyllan och tillåt värmeväxling mellan kylflänsen och omgivningen.
b) Minska kylens kyleffekt till miljön, garantera konvektion av den inre luften, garantera värmeisolering mellan de inre och yttre delarna.
c) Minska värmeflödet från omgivningen till insidan av kylskåpet, säkerställ konvektion av den inre luften och tillåt värmeutbyte mellan kylflänsen och omgivningen.
d) Minska värmeflödet från omgivningen till insidan av kylskåpet, säkerställ överföring kylan mellan maten på hyllan och tillåta utbyte av värme mellan diskbänken och miljön.
e) Minska värmeflödet från omgivningen till insidan av kylskåpet, garantera konvektion av den inre luften och garantera värmeisolering mellan de inre och yttre delarna.
Rätt svar: c) Minska värmeflödet från rummet till insidan av kylskåpet, säkerställ konvektion av den inre luften och tillåt värmeväxling mellan kylflänsen och omgivningen.
Att hålla kylskåpsdörren stängd, endast öppna det nödvändiga, förhindrar att värme kommer in från den yttre miljön.
Inne i kylskåpet producerar värmeväxlingar mellan den kalla inomhusmiljön och maten luftströmmar genom konvektion. Dessa strömmar är nödvändiga för att kyla mat.
Värmen som tas från maten och byts ut med kylskåpets köldmedium transporteras till kylflänsen på baksidan. Denna värme kommer att utbytas med omgivningen, främst genom konvektion, så utrymme behövs.
Övning 9
(UEPB 2009) Ett barn som gillade brigadeiro bestämde sig för att göra detta godis, och för det började han separera ingredienserna och redskapen. Till en början tog han burken med kondenserad mjölk, den pulveriserade chokladen och margarinet, sedan en stålpanna och en sked och en konservöppnare. Barnet borrade ett hål i burken för att tömma den kondenserade mjölken i pannan. Hans mamma, som såg den attityden, föreslog att sonen skulle borra ytterligare ett hål i burken, så att han lättare skulle kunna ta bort den vätskan. När man satte grytan på elden för att röra upp brigadeiron kände barnet att skedens handtag efter några minuter hade värmts upp och klagade: "Mamma, skeden bränner min hand". Så hans mamma bad honom att använda en träslev för att förhindra brännskador.
Om uppvärmningen av skeden som framgår av barnets klagomål att hans hand brände, kan vi säga att
a) med en träslev, som är en utmärkt värmeisolator, värms den upp snabbare än en stålsked.
b) det händer eftersom partiklarna som utgör skeden skapar konvektionsströmmar och värmer upp den helt från ena änden till den andra.
c) på grund av bestrålning värms skeden upp helt, från ena änden till den andra.
d) med en träslev, som är en utmärkt värmeledare, värms den upp snabbare än en stålsked.
e) det händer eftersom partiklarna som utgör skeden börjar leda värmen som absorberas där från ena änden till den andra.
Rätt svar: e) det händer för att partiklarna som utgör skeden börjar leda värmen som absorberas där från ena änden till den andra.
Värmeutbredningsprocessen är ledning. Endast energi överförs från en partikel till dess omgivning. Metaller är utmärkta värmesändare.
Övning 10
(Enem 2016) I ett experiment lämnar en lärare två brickor av samma massa, den ena av plast och den andra i aluminium, på laboratoriebordet. Efter några timmar ber han eleverna betygsätta temperaturen på de två brickorna med hjälp av beröring. Hans elever hävdar kategoriskt att aluminiumbrickan har en lägre temperatur. Intresserad föreslår han en andra aktivitet, där han placerar en isbit på var och en av brickorna, som är i termisk jämvikt med omgivningen och frågar dem med vilken hastighet av issmältningen kommer att vara större.
Eleven som svarar rätt på lärarens fråga kommer att säga att smältningen kommer att inträffa
a) snabbare på aluminiumbrickan, eftersom den har högre värmeledningsförmåga än plast.
b) snabbare på plastbrickan, eftersom den initialt har en högre temperatur än den i aluminium.
c) snabbare på plastbrickan, eftersom den har högre termisk kapacitet än den i aluminium.
d) snabbare på aluminiumbrickan, eftersom den har lägre specifik värme än plasten.
e) med samma hastighet på båda brickorna, eftersom de kommer att ha samma temperaturvariation.
Rätt svar: a) snabbare på aluminiumbrickan, eftersom den har högre värmeledningsförmåga än den av plast.
Is smälter snabbare i brickan vilket överför värme i högre hastighet dvs snabbare. Eftersom metaller har högre värmeledningsförmåga överför aluminiumbrickan mer värme till isen och den smälter snabbare.
Övning 11
(Enem 2021) I staden São Paulo är värmeöarna ansvariga för att ändra riktningen på flödet av havsbrisen som ska nå vårregionen. Men när man korsar värmeön möter havsbrisen nu ett vertikalt luftflöde, som överförs för henne absorberas den termiska energin från stadens heta ytor och förskjuter den till höga platser höjder. På så sätt blir det kondens och kraftigt regn i centrum av staden, istället för i vårregionen. Bilden visar de tre delsystemen som utbyter energi i detta fenomen.
Dessa mekanismer är resp.
a) bestrålning och konvektion.
b) bestrålning och bestrålning.
c) ledning och bestrålning.
d) konvektion och bestrålning.
e) konvektion och konvektion.
Rätt svar: a) bestrålning och konvektion.
Bestrålning är processen att överföra värme mellan solen och städer. I denna process överförs värme genom elektromagnetisk strålning.
Konvektion är processen att överföra värme mellan värmeöar och havsbrisen. I denna process överförs värme av ett flytande medium, i detta fall luft, genom dess rörelser. Vid konvektion blir den varma luften som expanderar, mindre tät och stiger. Den kallare luften på högre höjder, tätare, sjunker och skapar luftströmmar som utbyter värme.
Övningar på latent värme och känslig värme
Övning 12
(Enem 2015) De höga förbränningstemperaturerna och friktionen mellan dess rörliga delar är några av de faktorer som gör att förbränningsmotorer värms upp. För att förhindra överhettning och åtföljande skador på dessa motorer utvecklades nuvarande kylsystem, i vilka en vätska kylare med speciella egenskaper cirkulerar genom det inre av motorn och absorberar värmen som, när den passerar genom kylaren, överförs till atmosfär.
Vilken egenskap måste kylvätskan ha för att uppfylla sitt syfte mest effektivt?
a) Hög specifik värme.
b) Hög latent smältvärme.
c) Låg värmeledningsförmåga.
d) Låg koktemperatur.
e) Hög värmeutvidgningskoefficient.
Rätt svar: a) Hög specifik värme.
Specifik värme är en egenskap hos materialet, i detta fall kylvätskan. Den anger mängden värme den behöver för att ta emot eller ge bort för en enhet massa, för att variera en temperaturenhet.
Med andra ord, ju högre den specifika värmen är, desto mer värme kan den ta emot utan att höja temperaturen för mycket. Ämnen med hög specifik värme är mindre känsliga för temperaturförändringar.
På så sätt kan kylvätskan med hög specifik värme "samla" en större mängd termisk energi från motorn utan att koka.
Övning 13
(FATEC 2014) I en klass inom disciplinen fysik i svetskursen på Fatec tar ansvarig lärare upp med eleverna ett ämne de sett på gymnasiet. Förklarar hur man utför analysen av en tillståndsförändringsgraf för en given hypotetisk ren substans. För detta behöver vi bara utvärdera de fysiska storheterna som representeras på axlarna och grafen som bildas av förhållandet mellan dessa kvantiteter. I denna graf indikerar sektionen som visar en lutning en förändring i temperatur på grund av energiabsorption, och den som presenterar en platå (horisontell sektion) indikerar en förändring i tillstånd på grund av energiabsorption.
Efter denna förklaring frågar han eleverna vad var den totala mängden energi som absorberades av substans mellan slutet av tillståndsändringen för vätskan, till slutet av tillståndsändringen för gasformig.
Det korrekta svaret på denna fråga, i kalorier, är
a) 2000.
b) 4000.
c) 6 000.
d) 10 000.
e) 14 000.
Rätt svar: d) 10 000.
Denna förändring sker mellan 4000 och 14000 kalorier. Ämnet är helt i flytande tillstånd när rampen startar efter den första platån. Omvandlingen från flytande till gasfas sker på den andra platån.
Övningar om termisk dilatation
Övning 14
(URCA 2012) Radien för basen av en metallisk kon, vars densitet är lika med 10 g/cm3, har vid 0°C en initial längd Ro = 2 cm. Genom att värma denna kon till en temperatur på 100°C varierar dess höjd Δh = 0,015 cm. Med en konmassa på 100 g är den genomsnittliga linjära expansionskoefficienten för materialet:
Rätt svar:
Mål: bestämma linjär expansionskoefficient ().
Data = 0,015 cm
Initial radie, = 2 cm = 100°C
massa, m = 100 g
densitet, d = 10 g/cm3
Matematisk och fysisk modell av linjär termisk expansion
Var, är den linjära expansionskoefficienten.
är höjdvariationen.
är starthöjden.
är variationen i temperatur.
Isolerande ,
och
De tillhandahålls. På detta sätt, för att bestämma
, är det nödvändigt att bestämma
.
Att bestämma låt oss använda volym- och densitetsförhållandena.
konvolym
Densitet
Isolera V,
Ersätter värdet på V och r i volymekvationen och gör = 3,
Nu kan vi byta ut i ekvationen för termisk expansionskoefficient,
förvandlas till vetenskaplig notation
0,0006 =
lära sig mer om
- värme och temperatur.
- värmeutbredning
- känslig värme
- Specifik värme
- Värmeenergi
- Termisk expansion
- Termisk kapacitet
- värmeledning
- Termisk konvektion
- Termisk bestrålning