Q15.1 Um termômetro é exposto diretamente aos raios solares. Ele mede a temperatura do ar, do Sol ou de alguma outra coisa? Explique.

Passo 1

O enunciado diz que um termômetro é exposto diretamente aos raios solares e pergunta se ele mede a temperatura do ar, do Sol ou de outra coisa. O conteúdo aqui é transferência de calor em regime estacionário, envolvendo radiação e convecção, e precisamos entender o balanço energético que determina a temperatura de equilíbrio do bulbo do termômetro.

Passo 2

Quando o termômetro fica ao sol ele recebe potência por radiação solar e perde calor por convecção com o ar circundante e por radiação para o ambiente. A potência absorvida é
Prm abs = alpha,I,A
onde alpha é a absortividade da superfície, I é a irradiância solar ( approx 1000,W/ m^2) e A a área exposta. Ele perde calor por convecção
Prm conv = h,A,(T - Trm ar)
e por emissão radiativa
Prm rad = varepsilon,sigma,A,T^4
com varepsilon emis\textminussividade, sigma constante de Stefan– Boltzmann e Trm ar a temperatura do ar.

Passo 3

Em regime estacionário, a energia absorvida se iguala `a somada das energias perdidas:
alpha,I,A ;=; h,A,(T - Trm ar) ;+; varepsilon,sigma,A,T^4
Cancelando A e isolando qualitativamente T, observamos que T fica acima de Trm ar (pois recebe calor extra do Sol) e muito abaixo da temperatura efetiva do Sol ( approx 6000,K), de modo que o bulbo se aquece at’e uma temperatura intermedi’aria.

Passo 4

Logo, o termômetro não está registrando nem a temperatura do Sol (que é exorbitantemente alta) nem exatamente a do ar (pois estaria equilibrado só por convecção). Ele registra a temperatura de equilíbrio do próprio bulbo, determinada pela combinação de radiação solar absorvida e pelas perdas de calor por convecção e emissão radiativa.

Resposta

Ele mede a temperatura de equilíbrio do próprio bulbo, ou seja, a temperatura resultante do balanço entre a radiação solar absorvida e as perdas de calor por convecção e radiação.