ENEM 2018 segunda aplicação
Duas jarras idênticas foram pintadas, uma de branco e a outra de preto, e colocadas cheias de água na geladeira. No dia seguinte, com a água a 8 ºC, foram retiradas da geladeira e foi medido o tempo decorrido para que a água, em cada uma delas, atingisse a temperatura ambiente. Em seguida, a água das duas jarras foi aquecida até 90 °C e novamente foi medido o tempo decorrido para que a água nas jarras atingisse a temperatura ambiente.
Qual jarra demorou menos tempo para chegar à temperatura ambiente nessas duas situações?
A jarra preta demorou menos tempo nas duas situações.
A jarra branca demorou menos tempo nas duas situações.
As jarras demoraram o mesmo tempo, já que são feitas do mesmo material.
A jarra preta demorou menos tempo na primeira situação e a branca, na segunda.
A jarra branca demorou menos tempo na primeira situação e a preta, na segunda.
Resolução
A questão aborda a transferência de calor, especificamente como a cor de uma superfície afeta a taxa com que um objeto troca calor com o ambiente por meio da radiação térmica.
Existem três mecanismos principais de transferência de calor: condução, convecção e radiação.
- Condução: Transferência de calor através de um material ou entre materiais em contato direto.
- Convecção: Transferência de calor pelo movimento de fluidos (líquidos ou gases).
- Radiação: Transferência de calor por ondas eletromagnéticas (como a luz infravermelha), que não requer um meio material.
Nesta questão, as jarras são idênticas em tudo, exceto na cor. Isso significa que a transferência de calor por condução (através do material da jarra) e convecção (movimento do ar ao redor da jarra e da água dentro dela) será muito semelhante para ambas. A principal diferença estará na transferência de calor por radiação.
A cor de uma superfície afeta significativamente sua capacidade de absorver e emitir radiação térmica:
- Superfícies escuras/pretas: São boas absorvedoras e boas emissoras de radiação térmica.
- Superfícies claras/brancas: São más absorvedoras (refletem mais) e más emissoras de radiação térmica.
Vamos analisar as duas situações descritas:
Situação 1: Aquecimento (Água a 8 °C até a temperatura ambiente)
Nesta situação, a água está mais fria que o ambiente. Para atingir a temperatura ambiente, as jarras precisam absorver calor do ambiente. A troca de calor ocorrerá por condução, convecção e radiação. Como a jarra preta é uma melhor absorvedora de radiação térmica do que a jarra branca, ela absorverá calor do ambiente mais rapidamente. Portanto, a água na jarra preta atingirá a temperatura ambiente em menos tempo.
Situação 2: Resfriamento (Água a 90 °C até a temperatura ambiente)
Nesta situação, a água está mais quente que o ambiente. Para atingir a temperatura ambiente, as jarras precisam perder calor para o ambiente. A perda de calor ocorrerá por condução, convecção e radiação. De acordo com a Lei de Kirchhoff da radiação térmica, um bom absorvedor de radiação também é um bom emissor. Como a jarra preta é uma melhor emissora de radiação térmica do que a jarra branca, ela perderá calor para o ambiente mais rapidamente. Portanto, a água na jarra preta atingirá a temperatura ambiente em menos tempo.
Conclusão: Em ambas as situações (aquecimento e resfriamento), a jarra preta troca calor com o ambiente por radiação de forma mais eficiente (absorvendo mais rápido quando fria, emitindo mais rápido quando quente). Logo, a jarra preta demorará menos tempo para atingir a temperatura ambiente nas duas situações.
Dicas
Erros Comuns
Transferência de Calor: Processo pelo qual a energia térmica se move de uma região de maior temperatura para uma de menor temperatura.
Mecanismos de Transferência de Calor:
- Condução: Transferência de energia por colisões moleculares em sólidos, líquidos ou gases estacionários.
- Convecção: Transferência de energia pelo movimento de massa de um fluido (líquido ou gás).
- Radiação Térmica: Transferência de energia por ondas eletromagnéticas. Todos os corpos com temperatura acima do zero absoluto emitem radiação. A taxa de emissão e absorção depende da temperatura, área superficial e propriedades da superfície (emissividade/absortividade).
Cor e Radiação Térmica:
- Superfícies Pretas: Possuem alta absortividade e alta emissividade. Absorvem e emitem radiação térmica eficientemente.
- Superfícies Brancas/Espelhadas: Possuem baixa absortividade (alta refletividade) e baixa emissividade. Absorvem e emitem radiação térmica de forma ineficiente.
Lei de Kirchhoff da Radiação Térmica (implícita): Para um corpo em equilíbrio térmico com o ambiente, sua emissividade é igual à sua absortividade. Isso implica que bons absorvedores são bons emissores, e maus absorvedores são maus emissores.
Compreender fenômenos decorrentes da interação entre a radiação e a matéria em suas manifestações em processos naturais ou tecnológicos, ou em suas implicações biológicas, sociais, econômicas ou ambientais.
