Em um experimento sobre aquecimento de superfícies, duas placas de alumínio idênticas, cada uma com massa de…
Publicado por Alexandre Lombardi dos Santos, fundador do GeraProva
Interpretar resultados e realizar previsões sobre atividades experimentais, fenômenos naturais e processos tecnológicos, com base nas noções de probabilidade e incerteza, reconhecendo os limites explicativos das ciências.
Fonte: Base Nacional Comum Curricular (MEC).Questão
Em um experimento sobre aquecimento de superfícies, duas placas de alumínio idênticas, cada uma com massa de 0,5 kg e área de 0,10 m², são mantidas sob o mesmo fluxo solar de 800 W/m². A placa preta apresenta absorvidade de 0,95, e a placa branca, de 0,20. Ambas estão em um ambiente a 25 °C e perdem calor para esse ambiente segundo a relação Pperdida = k·(T - Tamb), com k = 2 W/°C para cada placa. Desprezam-se outras formas de troca de calor. A potência solar absorvida pode ser calculada por Pabsorvida = a·S·A. Qual placa alcança maior temperatura de equilíbrio e por quê?
- A) A placa preta alcança maior temperatura de equilíbrio, pois sua massa é menor e ela precisa de menos energia para aquecer.
- B) A placa branca alcança maior temperatura de equilíbrio, pois sua superfície clara reflete menos calor para o ambiente.
- C) As duas placas alcançam a mesma temperatura de equilíbrio, pois recebem o mesmo fluxo solar e possuem a mesma área.
- D) Nenhuma das placas alcança temperatura de equilíbrio, pois a absorção contínua de radiação faz sua temperatura aumentar indefinidamente.
- E) A placa preta alcança maior temperatura de equilíbrio, pois absorve mais potência solar: 76 W, contra 16 W da placa branca. Como as duas placas têm o mesmo coeficiente de perda de calor, a placa preta estabelece uma diferença de temperatura maior em relação ao ambiente, atingindo 63 °C, enquanto a branca chega a 33 °C.
✅ Resposta correta: alternativa E
Resolução passo a passo
- Calcule a potência solar absorvida por cada placa com Pabsorvida = a·S·A. Para a placa preta: 0,95 × 800 × 0,10 = 76 W. Para a placa branca: 0,20 × 800 × 0,10 = 16 W. Passo 2: No equilíbrio térmico, a potência absorvida é igual à potência perdida: a·S·A = k·(T - Tamb). Passo 3: Isolando T, temos T = Tamb + (a·S·A)/k. Como k = 2 W/°C nas duas placas e Tamb = 25 °C, a diferença de temperatura em relação ao ambiente é metade da potência absorvida. Passo 4: Para a placa preta, T = 25 + 76/2 = 25 + 38 = 63 °C. Para a placa branca, T = 25 + 16/2 = 25 + 8 = 33 °C. Passo 5: Logo, a placa preta alcança a maior temperatura de equilíbrio. A alternativa E está correta e coincide com o gabarito oficial. Passo 6: Por que as outras estão erradas: A) a massa não influencia a temperatura de equilíbrio, que depende apenas do balanço entre ganho e perda de potência; além disso, as massas são iguais. B) a placa branca absorve menos radiação (absortividade 0,20), por isso aquece menos, e não mais. C) mesmo recebendo o mesmo fluxo, as placas absorvem frações diferentes da radiação, então não atingem a mesma temperatura. D) a perda de calor cresce com (T - Tamb), o que faz a temperatura estabilizar em um valor finito, e não crescer indefinidamente.
💡 Dica: Compare as absorvidades das placas para determinar a temperatura.
Alternativa por alternativa
Acredita que a placa de menor massa atinge temperaturas maiores, confundindo a capacidade de aquecer com a temperatura final de equilíbrio. Além disso, o enunciado diz que as placas têm a mesma massa.
Por que engana: Confundir a quantidade de energia absorvida com a cor da placa, acreditando que a placa branca absorve mais energia por ser clara.
Associa superfície clara a maior temperatura, achando que a cor branca retém calor, quando na verdade ela reflete grande parte da radiação incidente. Isso inverte o papel da absortividade.
Supõe que o mesmo fluxo incidente e a mesma área resultam em mesma potência absorvida, ignorando que a absortividade (0,95 e 0,20) é diferente para cada placa.
Considera que a absorção contínua de energia sempre eleva a temperatura sem limite, esquecendo que a perda de calor proporcional a (T - Tamb) cresce até igualar a potência absorvida.
A potência absorvida pela placa preta é P = 0,95·800·0,10 = 76 W, enquanto a da placa branca é P = 0,20·800·0,10 = 16 W. No equilíbrio, a potência absorvida se iguala à potência perdida. Portanto, para a placa preta, 76 = 2·(T − 25), resultando em T = 63 °C. Para a placa branca, 16 = 2·(T − 25), resultando em T = 33 °C. A inclusão de um modelo de perda de calor no texto torna possível determinar uma temperatura de equilíbrio finita.
Raio-X da questão
absorvidade e temperatura
avaliacao
absorvidade e temperatura · fluxo solar
Revisar conceitos de absorvidade e equilíbrio térmico.
Confundir a quantidade de energia absorvida com a cor da placa, acreditando que a placa branca absorve mais energia por ser clara.
ciencia_tecnologia
pensamento_critico
cientifico
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