Física 20 c Flashcards
(17 cards)
O que é necessário para que ocorra a transmissão de calor por condução, e como a condutividade térmica varia entre diferentes materiais?
Para que ocorra a transmissão de calor por condução, é necessário um meio material, pois a condução depende da transferência de energia térmica entre átomos ou moléculas que vibram e transmitem essa vibração através de ligações, como no modelo de molas. Esse processo não ocorre no vácuo, pois não há partículas para transferir o calor. A condução é mais intensa em sólidos, menos intensa em líquidos e ainda menos em gases, devido à densidade e proximidade dos átomos. Materiais com alta condutividade térmica, como os metais (bons condutores), transmitem calor eficientemente. Já materiais com baixa condutividade térmica, como madeira, plástico, água e gelo (isolantes térmicos), conduzem calor de forma menos eficiente, sendo usados como barreiras térmicas.
Em um experimento com três barras (A, B e C) de materiais diferentes, cada uma com um pedaço de cera na extremidade, uma chama é aplicada na outra extremidade de cada barra. A cera derrete primeiro na barra C e por último na barra B. Qual barra possui a maior condutividade térmica, e qual possui a menor?
A barra C possui a maior condutividade térmica, pois a cera nela derreteu primeiro, indicando que o calor foi transmitido mais rapidamente através do material. A barra B possui a menor condutividade térmica, já que a cera nela derreteu por último, mostrando que o calor foi conduzido mais lentamente.
Por que, ao tocar uma parede de madeira e uma maçaneta de metal, ambas em equilíbrio térmico com o ambiente a 20°C, a maçaneta de metal parece mais fria do que a madeira, mesmo estando à mesma temperatura?
A maçaneta de metal parece mais fria porque o metal é um bom condutor de calor, com alta condutividade térmica, enquanto a madeira é um isolante térmico, com baixa condutividade térmica. Quando a mão, que está a uma temperatura maior (cerca de 36°C), toca ambos os materiais, o calor da mão é transferido mais rapidamente para o metal do que para a madeira. Essa maior perda de calor no metal causa uma sensação de frio mais intensa, mesmo que ambos estejam à mesma temperatura de 20°C.
Por que uma pessoa descalça, ao sair de um piso de madeira e pisar em um piso de cerâmica, ambos em equilíbrio térmico com o ambiente a 20°C, sente a cerâmica mais fria do que a madeira?
A cerâmica parece mais fria porque possui maior condutividade térmica em comparação com a madeira. Apesar de ambos os materiais estarem à mesma temperatura (20°C) e a pele da pessoa estar a cerca de 36°C, o calor da pele é transferido mais rapidamente para a cerâmica, que é um melhor condutor de calor, do que para a madeira, que é um isolante térmico. Essa maior taxa de perda de calor na cerâmica resulta em uma sensação de frio mais intensa.
Um copo de alumínio e um copo de vidro contêm cerveja a 1°C, em um ambiente a 30°C. Qual copo mantém a cerveja gelada por mais tempo, e por quê?
O copo de vidro mantém a cerveja gelada por mais tempo. O alumínio, por ser um bom condutor de calor com alta condutividade térmica, permite uma transferência mais rápida de calor do ambiente (30°C) para a cerveja (1°C), fazendo-a esquentar mais rapidamente. Já o vidro, um isolante térmico com baixa condutividade térmica, reduz a transferência de calor do ambiente para a cerveja, mantendo-a gelada por mais tempo. Além disso, a espuma da cerveja atua como isolante térmico, diminuindo ainda mais a entrada de calor do ambiente, ajudando a prolongar o tempo que a cerveja permanece gelada.
Em um dia com temperatura ambiente de 10°C em Belo Horizonte, uma pessoa com temperatura corporal de 36°C sente frio. Ela decide usar um agasalho de lã. Qual é a função do agasalho, e por que ele ajuda a pessoa a sentir menos frio?
O agasalho de lã funciona como um isolante térmico, pois possui baixa condutividade térmica. Ele reduz a perda de calor do corpo (36°C) para o ambiente (10°C), diminuindo a transferência de calor por condução. Isso faz com que a pessoa sinta menos frio, já que o corpo perde calor mais lentamente. O agasalho não “gera calor” ou “armazena calor”, mas isola o corpo, minimizando a sensação de frio. Materiais como lã ou couro são eficazes por serem maus condutores de calor, embora nenhum isolante seja perfeito, e alguma perda de calor ainda ocorra.
Em um ambiente com temperatura de 10°C, uma pessoa com temperatura corporal de 36°C sente frio e decide usar um cobertor. Por que o cobertor ajuda a reduzir a sensação de frio? Além disso, por que os cabos de panelas e colheres de madeira não esquentam tanto quanto os de metal, mesmo estando em contato com algo quente?
O cobertor reduz a sensação de frio porque é um isolante térmico, com baixa condutividade térmica, diminuindo a perda de calor do corpo (36°C) para o ambiente (10°C). Ele não “gera calor”, mas isola, reduzindo a transferência de calor por condução, o que faz a pessoa sentir menos frio. Materiais como lã ou couro são ideais por serem maus condutores. Da mesma forma, cabos de panelas e colheres de madeira não esquentam tanto porque a madeira é um isolante térmico, com baixa condutividade térmica, transferindo calor muito lentamente do metal quente ou do alimento para a mão. Já cabos de metal, que são bons condutores, esquentariam rapidamente, podendo causar queimaduras.
Como a condução térmica e as propriedades de condutores e isolantes térmicos se aplicam a cenários comuns em provas, como um passarinho eriçando penas, uma camada de gelo no congelador, uma casa de gelo no Polo Norte e uma tela de metal em um recipiente de vidro aquecido?
A condução térmica depende de um meio material, sendo mais intensa em sólidos, menos em líquidos e gases. Bons condutores, como metais, têm alta condutividade térmica, enquanto isolantes, como madeira, gelo e ar, têm baixa condutividade. Nos cenários:
Passarinho eriçando penas: As penas prendem ar, um isolante térmico, reduzindo a perda de calor do corpo para o ambiente frio.
Camada de gelo no congelador: O gelo, isolante térmico, quando espesso, dificulta a troca de calor, reduzindo a eficiência do resfriamento, exigindo degelo.
Casa de gelo no Polo Norte: Gelo e neve, isolantes térmicos, minimizam a perda de calor do interior para o exterior frio, mantendo o interior mais quente.
Tela de metal em recipiente de vidro: O metal, bom condutor, distribui o calor da chama uniformemente, evitando dilatação desigual no vidro e rachaduras.
O que é fluxo de calor, qual é sua definição, e quais são as unidades de calor e fluxo de calor no Sistema Internacional e em outras unidades comuns?
Calor é energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura, com unidade no Sistema Internacional (SI) em joule (J). Outra unidade comum é a caloria (cal), onde 1 cal = 4,18 J. O fluxo de calor (representado pela letra grega φ) é a quantidade de calor que passa por uma área em um intervalo de tempo. Sua unidade no SI é joule por segundo (J/s), equivalente a watt (W). Em unidades não-SI, o fluxo de calor pode ser expresso em calorias por segundo (cal/s).
Explique como o fluxo de calor é calculado em um sistema de condução térmica, utilizando a Lei de Fourier, e descreva os fatores que influenciam o fluxo de calor em um exemplo com uma barra de metal conectando um recipiente com vapor d’água a 100°C e outro com gelo a 0°C.
O fluxo de calor (φ) é a quantidade de calor que passa por uma área em um intervalo de tempo, medido em joule por segundo (J/s ou W) no Sistema Internacional ou calorias por segundo (cal/s). Na condução térmica, ele é calculado pela Lei de Fourier:
φ = k × A × (ΔT / e)
Onde:
k é o coeficiente de condutividade térmica do material (em W/m·K), que varia conforme o material (alto para metais, baixo para isolantes como madeira).
A é a área transversal por onde o calor passa (em m²); maior área aumenta o fluxo.
ΔT é a diferença de temperatura entre as extremidades (T₂ - T₁, em °C ou K); maior diferença aumenta o fluxo.
e é a espessura ou comprimento do material (em m); maior espessura reduz o fluxo.
Exemplo com a barra de metal:
Uma barra de metal conecta um recipiente com vapor d’água a 100°C e outro com gelo a 0°C, com um isolante térmico ao redor para evitar perdas de calor ao ambiente. A extremidade da barra no vapor está a 100°C, e a no gelo, a 0°C, criando um regime estacionário de temperaturas (a temperatura varia linearmente ao longo da barra). O fluxo de calor é constante ao longo da barra e depende:
Do coeficiente k do metal (alto, pois metais são bons condutores).
Da área A da seção transversal da barra (maior área, maior fluxo).
Da diferença de temperatura ΔT (100°C - 0°C = 100°C, favorecendo alto fluxo).
Do comprimento e da barra (maior comprimento reduz o fluxo).
Assim, o fluxo de calor é maior se a barra for de um metal com alto k, tiver grande área transversal, menor comprimento e grande diferença de temperatura. A Lei de Fourier quantifica isso, sendo comum em vestibulares para avaliar a condução térmica em sistemas como esse.
Como a Lei de Fourier calcula o fluxo de calor, e como o coeficiente de condutividade térmica (k) varia entre materiais como cobre, alumínio, aço, gelo, madeira e água?
A Lei de Fourier calcula o fluxo de calor (φ) por condução térmica com a fórmula:
φ = k × A × (ΔT / e)
Onde k é o coeficiente de condutividade térmica (W/m·K), A é a área (m²), ΔT é a diferença de temperatura (°C ou K), e e é a espessura (m). O fluxo é maior com alto k, grande A, grande ΔT e pequeno e. Valores de k variam:
Cobre: 920000 × 10⁻⁵ (excelente condutor).
Alumínio: 430000 × 10⁻⁵ (bom condutor).
Aço: 120000 × 10⁻⁵ (condutor moderado).
Gelo: 410 × 10⁻⁵ (isolante).
Madeira: 30 × 10⁻⁵ (forte isolante).
Água: 5,7 × 10⁻⁵ (isolante).
Metais têm alto k, favorecendo grande fluxo de calor; isolantes têm baixo k, reduzindo o fluxo, conforme cobrado em vestibulares.
Como a Lei de Fourier explica o fluxo de calor em exemplos do dia a dia, como o uso de uma blusa fina e uma grossa de algodão, paredes de aço com diferentes gradientes de temperatura, e blusas de algodão e lã com a mesma espessura?
A Lei de Fourier calcula o fluxo de calor (φ) por condução térmica: φ = k × A × (ΔT / e), onde k é o coeficiente de condutividade térmica (W/m·K), A é a área (m²), ΔT é a diferença de temperatura (°C ou K), e e é a espessura (m). O fluxo é maior com maior k, A, ΔT e menor e.
Exemplo 1: Blusa fina vs. blusa grossa de algodão
Uma pessoa a 36°C em um ambiente a 10°C (ΔT = 26°C) usa uma blusa fina e uma grossa de algodão (mesmo k e A). A blusa grossa tem maior espessura (e), reduzindo o fluxo de calor (φ) conforme a Lei de Fourier, pois φ é inversamente proporcional a e. Assim, a blusa grossa perde menos calor, diminuindo a sensação de frio.
Exemplo 2: Paredes de aço com diferentes gradientes de temperatura
Duas paredes de aço (mesmo k, A e e) têm ΔT diferentes: parede 1 (0°C a 20°C, ΔT = 20°C) e parede 2 (0°C a 100°C, ΔT = 100°C). Pela Lei de Fourier, φ é proporcional a ΔT, então a parede 2 tem maior fluxo de calor devido à maior diferença de temperatura.
Exemplo 3: Blusas de algodão vs. lã
Blusas de algodão (k = 0,037 W/m·K) e lã (k menor que algodão) com mesma A, e e ΔT (36°C - 10°C = 26°C). Como φ é proporcional a k, a blusa de algodão tem maior fluxo de calor, perdendo mais calor para o ambiente, resultando em maior sensação de frio. A blusa de lã, com menor k, é melhor isolante, reduzindo a sensação de frio.
Esses exemplos mostram como k, ΔT e e afetam o fluxo de calor, sendo comuns em vestibulares.
O que é transmissão de calor por convecção, quais são suas condições necessárias, e como ela ocorre em exemplos do dia a dia, como uma panela com água, uma geladeira com congelador na parte superior, um ar-condicionado e um aquecedor?
A transmissão de calor por convecção ocorre apenas em fluidos (líquidos e gases) e requer um meio material, não acontecendo no vácuo. Ela envolve o movimento de partículas do fluido devido a diferenças de densidade causadas por variações de temperatura, formando correntes de convecção.
Exemplo 1: Panela com água
Ao aquecer uma panela de alumínio com água, o calor é conduzido do fogo para a água no fundo. A água aquecida aumenta de volume, reduzindo sua densidade, e sobe. A água fria, mais densa, desce, criando correntes de convecção que distribuem o calor até a água atingir 100°C.
Exemplo 2: Geladeira com congelador na parte superior
Na geladeira, o congelador (ex.: 0°C) resfria o ar interno (ex.: 20°C). O ar frio, com volume reduzido e maior densidade, desce, enquanto o ar quente, menos denso, sobe, formando correntes de convecção. Grades na geladeira permitem a passagem do ar frio para resfriar legumes e verduras na parte inferior.
Exemplo 3: Ar-condicionado
Instalado na parte superior de uma sala, o ar-condicionado resfria o ar (ex.: de 25°C para 15°C). O ar frio, mais denso, desce, e o ar quente, menos denso, sobe, criando correntes de convecção que resfriam o ambiente.
Exemplo 4: Aquecedor
Posicionado na parte inferior, o aquecedor aquece o ar, aumentando seu volume e reduzindo sua densidade. O ar quente sobe, e o ar frio, mais denso, desce, gerando correntes de convecção que aquecem o ambiente.
Como funciona o princípio de convecção em um aquecedor solar, conforme ilustrado em uma questão do Enem, onde água fria de um reservatório é aquecida por radiação solar em um coletor e circula para um reservatório de água quente?
A transmissão de calor por convecção em um aquecedor solar baseia-se no movimento de fluidos devido a diferenças de densidade causadas por variações de temperatura. No sistema, um reservatório de água fria está conectado a um coletor solar. A radiação solar aquece a água no coletor, aumentando sua temperatura e volume, o que reduz sua densidade (densidade = massa/volume, com massa constante). A água aquecida, menos densa, sobe para o reservatório de água quente. Simultaneamente, a água fria, mais densa, do reservatório desce para o coletor, onde é aquecida novamente. Esse movimento cria correntes de convecção: água quente sobe pelo cano até o reservatório de água quente, e água fria desce para o coletor, permitindo a circulação contínua. A água quente pode então ser direcionada para o chuveiro. Esse processo, comum em questões do Enem, demonstra a convecção em fluidos, requerendo um meio material (água) e não ocorrendo no vácuo.
Como o fenômeno da convecção explica a formação da brisa do mar durante o dia e a brisa da terra durante a noite, considerando as diferenças de temperatura entre a areia e a água?
A convecção, que ocorre em fluidos (como o ar) devido a diferenças de densidade causadas por variações de temperatura, explica a formação das brisas do mar e da terra.
Brisa do mar (durante o dia):
Durante o dia, a areia aquece mais rápido que a água, atingindo, por exemplo, 40°C, enquanto a água permanece a 20°C. O ar em contato com a areia aquece, aumentando seu volume e reduzindo sua densidade (densidade = massa/volume, com massa constante). Esse ar quente e menos denso sobe, criando uma região de baixa pressão sobre a areia. O ar mais frio e denso sobre o mar, em contato com a água a 20°C, move-se para a areia, formando a brisa do mar, que sopra do mar para a terra.
Brisa da terra (durante a noite):
À noite, a areia esfria mais rápido que a água, ficando a uma temperatura menor (ex.: 15°C) que a água (ex.: 20°C). O ar em contato com a água, mais quente, aquece, aumentando seu volume e reduzindo sua densidade, e sobe. O ar mais frio e denso sobre a areia, em contato com a superfície mais fria, desce e move-se para o mar, formando a brisa da terra, que sopra da terra para o mar.
Esse processo, comum em questões de vestibulares, ilustra como a convecção no ar, impulsionada por diferenças de temperatura, gera as brisas.
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