i. Dado uma quantidade de calor fixa Q absorvida e assumindo que não há mudança de fase no processo, qual dos blocos, A ou B, sofrerá uma maior variação de temperatura?
ii. Considerando um intervalo de temperatura onde não há transição de fase, em quais condições o bloco C sofre uma variação de temperatura mais acentuada que o bloco A quando ambos cedem uma mesma quantidade Q de calor para o ambiente?
b) Considerando os principais modos de transferência de calor - condução, convecção e radiação, explique:
i. Com base em quais modos de transferência de calor a garrafa térmica é projetada? Justifique.
ii. Em função de qual modo de transferência de calor o ar-condicionado é projetado para ser instalado no alto e os aquecedores na parte mais próxima ao chão de uma sala? Justifique.

Passo 1

Beleza! Vamos resolver esse exercício que trata de transferência de calor, focando em conceitos como condução, convecção, radiação e como eles afetam a variação de temperatura em diferentes blocos e dispositivos. Para resolver, vamos usar a fórmula básica da quantidade de calor:
Q = m cdot c cdot De
onde:
  • $ Q $ é a quantidade de calor,
  • $ m $ é a massa do objeto,
  • $ c $ é a capacidade térmica específica,
  • $ \Delta T $ é a variação de temperatura.
Vamos passo a passo entender cada parte da questão!

Passo 2

a.i. Qual bloco, A ou B, sofrerá uma maior variação de temperatura ao absorver uma mesma quantidade de calor $ Q $?
Primeiro, sabemos que quando um objeto absorve calor sem mudar de fase, a variação de temperatura depende da massa e da capacidade térmica específica:
Q
Então, para uma mesma quantidade de calor $ Q $, o bloco que tiver menor valor de $ m \cdot c $ vai ter uma variação de temperatura maior. Ou seja, se o bloco A tem uma massa ou uma capacidade térmica específica menor que o bloco B, $ \Delta T_A > \Delta T_B $. Portanto, o bloco com menor $ m \cdot c $ sofre uma maior variação de temperatura.

Passo 3

a.ii. Sob quais condições o bloco C terá uma variação de temperatura mais acentuada que o bloco A ao ceder a mesma quantidade de calor $ Q $ para o ambiente?
Usando novamente a fórmula:
Q
Para que $ \Delta T_C > \Delta T_A $, precisamos que:
De
Simplificando, temos:
De De
Ou seja, o produto da massa pela capacidade térmica específica do bloco A deve ser maior que o do bloco C. Portanto, se $ m_C \cdot c_C $ for menor que $ m_A \cdot c_A $, o bloco C terá uma variação de temperatura mais acentuada que o bloco A ao ceder a mesma quantidade de calor.

Passo 4

b.i. Com base em quais modos de transferência de calor a garrafa térmica é projetada? Justifique.
A garrafa térmica é projetada para minimizar a transferência de calor nos três modos principais:
  1. Condução: Utiliza materiais com baixa condutividade térmica e, geralmente, possui paredes duplas com vácuo no meio para reduzir a transferência por condução.
  2. Convecção: O vácuo entre as paredes também impede a movimentação de ar, eliminando a transferência de calor por convecção.
  3. Radiação: Muitas garrafas térmicas têm revestimentos refletivos internos que reduzem a perda ou ganho de calor por radiação.
Portanto, a garrafa térmica é projetada para isolar o conteúdo térmico utilizando condução, convecção e radiação de forma eficiente.

Passo 5

b.ii. Em função de qual modo de transferência de calor o ar-condicionado é instalado no alto e os aquecedores na parte mais próxima ao chão de uma sala? Justifique.
Isso está relacionado principalmente à convecção. A convecção é o transporte de calor através do movimento de fluidos (no caso, o ar).
  • Ar-condicionado no alto: O ar frio fornecido pelo ar-condicionado tende a ser mais denso e desce, espalhando-se de baixo para cima. Instalá-lo no alto ajuda a distribuir o ar frio de forma mais eficiente.
  • Aquecedores no chão: O ar quente sobe porque é menos denso. Colocar os aquecedores próximos ao chão permite que o ar quente se espalhe de cima para baixo, aquecendo a sala de maneira mais uniforme.
Isso otimiza a circulação natural do ar, melhorando a eficiência no aquecimento e resfriamento do ambiente.

Resposta

a.i. O bloco que possui menor produto de massa e capacidade térmica específica ( m cdot c) sofrerá uma maior variação de temperatura.
a.ii. O bloco C terá uma variação de temperatura mais acentuada que o bloco A quando mC cdot cC < mA cdot cA.
b.i. A garrafa térmica é projetada com base nos modos de condução, convecção e radiação para minimizar a transferência de calor.
b.ii. O ar-condicionado é instalado no alto e os aquecedores próximos ao chão devido ao modo de transferência por convecção, aproveitando a movimentação natural do ar quente e frio.

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