(PUC-SP) Analise as afirmações referentes à condução térmica.
I. Para que um pedaço de carne cozinhe mais rapidamente, pode-se introduzir nele um espeto metálico. Isso se justifica pelo fato de o metal ser um bom condutor de calor.
II. Os agasalhos de lã dificultam a perda de energia (na forma de calor) do corpo humano para o ambiente, devido ao fato de o ar aprisionado entre suas fibras ser um bom isolante térmico.
III. Devido à condução térmica, uma barra de metal mantém-se a uma temperatura inferior à de uma
barra de madeira colocada no mesmo ambiente.
Podemos afirmar que:
a) I, II e III estão corretas.
b) I, II e III estão erradas.
c) apenas I está correta.
d) apenas II está correta.
e) apenas I e II estão corretas.
I. Para que um pedaço de carne cozinhe mais rapidamente, pode-se introduzir nele um espeto metálico. Isso se justifica pelo fato de o metal ser um bom condutor de calor.
II. Os agasalhos de lã dificultam a perda de energia (na forma de calor) do corpo humano para o ambiente, devido ao fato de o ar aprisionado entre suas fibras ser um bom isolante térmico.
III. Devido à condução térmica, uma barra de metal mantém-se a uma temperatura inferior à de uma
barra de madeira colocada no mesmo ambiente.
Podemos afirmar que:
a) I, II e III estão corretas.
b) I, II e III estão erradas.
c) apenas I está correta.
d) apenas II está correta.
e) apenas I e II estão corretas.
Passo 1
O enunciado dá três afirmações rotuladas I, II e III e pede que eu decida quais estão corretas.
As afirmações são:
I. Para que um pedaço de carne cozinhe mais rapidamente, pode-se introduzir nele um espeto metálico. Isso se justifica pelo fato de o metal ser um bom condutor de calor.
II. Os agasalhos de lã dificultam a perda de energia (na forma de calor) do corpo humano para o ambiente, devido ao fato de o ar aprisionado entre suas fibras ser um bom isolante térmico.
III. Devido à condução térmica, uma barra de metal mantém-se a uma temperatura inferior à de uma barra de madeira colocada no mesmo ambiente.
As afirmações são:
I. Para que um pedaço de carne cozinhe mais rapidamente, pode-se introduzir nele um espeto metálico. Isso se justifica pelo fato de o metal ser um bom condutor de calor.
II. Os agasalhos de lã dificultam a perda de energia (na forma de calor) do corpo humano para o ambiente, devido ao fato de o ar aprisionado entre suas fibras ser um bom isolante térmico.
III. Devido à condução térmica, uma barra de metal mantém-se a uma temperatura inferior à de uma barra de madeira colocada no mesmo ambiente.
O que é pedido: decidir quais das afirmações I, II e III são corretas (escolher a alternativa correta).
Passo 2
Analisando a afirmação I: “espeto metálico na carne cozinha mais rápido porque metal é bom condutor de calor.”
Explicação didática (passo a passo do porquê isto faz sentido):
Explicação didática (passo a passo do porquê isto faz sentido):
- Conceito útil: a condução térmica descreve transferência de energia térmica através de um material devido a diferenças de temperatura. Um modo prático de quantificar é a lei de Fourier para fluxo de calor unidimensional:
onde
é a taxa de calor (potência) que atravessa a área
,
é a condutividade térmica do material, e
é o gradiente de temperatura no material.
- Interpretação das variáveis:
grande → o material permite maior fluxo de calor para um mesmo gradiente; maior → mais área para o calor passar; sinal negativo indica que o calor vai de quente para frio. - Aplicação ao espeto metálico: o metal tem
muito maior que a carne (e que materiais como madeira). Ao enfiar um espeto metálico na carne, ele conduz calor da superfície quente (onde o fogo aquece) para o interior mais rapidamente, reduzindo o tempo que a parte central leva para atingir a temperatura de cozimento. Em termos práticos: o espeto aumenta a taxa de entrada de energia térmica no centro, acelerando o cozimento. - Exemplo simples fora da questão: um garfo metálico esquenta rapidamente quando deixado em contato com uma panela quente — isso é exatamente porque o metal conduz rápido o calor.
Conclusão para I: a justificativa é correta — a afirmação I está correta.
Passo 3
Analisando a afirmação II: “agasalhos de lã dificultam a perda de energia do corpo porque o ar aprisionado entre fibras é um bom isolante térmico.”
Explicação didática:
Explicação didática:
- Por que ar aprisionado isola? O ar sozinho tem baixa condutividade térmica (
pequeno), e quando está preso em pequenos bolsões entre fibras, a convecção dentro desses bolsões fica muito limitada (não há espaço para o ar circular livremente). Assim a transferência de calor por condução + convecção aí é pequena. - A lã funciona basicamente criando muitos desses bolsões de ar: as fibras prendem o ar, reduzindo tanto condução quanto convecção. O resultado é que menos calor do corpo é perdido para o ambiente.
- Observação sobre radiação: parte do isolamento também envolve reflexão/absorção de radiação térmica, mas o efeito principal da lã é reduzir condução/convectividade por aprisionamento do ar.
- Exemplo prático: por isso roupas volumosas (com muito ar no tecido) mantêm melhor o calor do corpo do que um tecido fino, mesmo que o material das fibras não seja, por si só, um grande isolante.
Conclusão para II: a afirmação II está correta.
Passo 4
Analisando a afirmação III: “Devido à condução térmica, uma barra de metal mantém-se a uma temperatura inferior à de uma barra de madeira colocada no mesmo ambiente.”
Vamos destrinchar isso com calma e sem pular etapas.
Vamos destrinchar isso com calma e sem pular etapas.
- Primeiro, o que significa “colocada no mesmo ambiente”? Interpreto que duas barras, uma de metal e uma de madeira, são colocadas no mesmo ambiente (mesma temperatura ambiente) e deixadas ali. A pergunta implícita é sobre qual temperatura elas “se mantêm” ao final.
- Princípio físico importante: se dois objetos estão expostos ao mesmo ambiente (mesma temperatura do ar) e não há fontes internas de calor nem trocas adicionais diferentes, o estado de equilíbrio térmico final é o mesmo para ambos: ambos tendem a ficar à temperatura do ambiente (equilíbrio térmico). Ou seja, a condutividade térmica do material afeta a rapidez com que o objeto troca calor com o ambiente, mas não altera a temperatura final de equilíbrio (que é a temperatura ambiente) — salvo diferenças de aquecimento local, dissipação ou efeitos de radiação muito diferentes.
- Uma maneira matemática simples de ver a diferença entre “taxa” e “equilíbrio”: a lei de resfriamento de Newton (modelo simplificado) pode ser escrita como
onde
é a temperatura do objeto,
é a temperatura ambiente,
é coeficiente de transferência térmica (depende de condução/convecção na superfície),
é área exposta,
é massa e
é calor específico.
- Interpretação: o fator
determina a velocidade com que se aproxima de . Um metal, por ter melhor condução interna e possivelmente maior na superfície, tipicamente terá maior e, portanto, se ajusta mais rápido à temperatura do ambiente. Mas a solução de longo prazo dessa equação é . Ou seja: condutividade muda a velocidade do ajuste, não o valor final. - Caso concreto para contrapor a afirmação: se eu colocar simultaneamente uma barra de metal e uma de madeira em um ambiente de temperatura
, depois de bastante tempo ambas estarão praticamente a . Não faz sentido afirmar que, por condução, a barra de metal ficará a temperatura inferior à da madeira — isso seria confundir taxa de troca térmica com temperatura de equilíbrio. - Existem situações onde, por diferenças de propriedades (ex.: emissividade para radiação, fluxo contínuo de calor em uma das extremidades, ou contato com uma fonte fria), uma barra pode ficar mais fria que outra; mas a afirmação dada é genérica e atribui essa diferença à condução de forma incorreta.
Conclusão para III: a afirmação III está incorreta.
Passo 5
Sumário final das três afirmações após análise cuidadosa:
- I: correta.
- II: correta.
- III: incorreta.
Portanto a alternativa correta é a que diz que apenas I e II estão corretas.
Resposta
e) apenas I e II estão corretas.