Cap.IV. Fenomene termice.

• Probleme rezolvate.
• Exerciții.
• Test de autoevaluare.

Probleme rezolvate.

🔓 Probleme rezolvate - Stare termică. Temperatură.

4.1. Transformă o temperatură de 40°C în Kelvin și grade Fahrenheit.

4.2. Transformă o temperatură de 560 K în grade Celsius.

t = 560 – 273,15 = 286,85 °C

4.3. Calculează variația temperaturii din tabelul cu temperaturi minime și maxime pe o săptămână:

Δt_Luni = t_max – t_min = -1 °C - (-5 ) °C = -1 °C + 5 °C = 4 °C

Δt_Marți = t_max – t_min = 4 °C - (-2) °C = 4 °C + 2 °C = 6 °C

Δt_Miercuri = t_max – t_min = -2 °C - (-10) °C = -2 °C + 10 °C = 8°C

Δt_Joi = t_max – t_min = 2 °C - (-3 ) °C = 2 °C + 3 °C = 5 °C

Δt_Vineri = t_max – t_min = 0 °C - (-1) °C = 1 °C

Δt_Sâmbătă = t_max – t_min = 5 °C - 2 °C = 3 °C

Δt_Duminică = t_max – t_min = 7 °C - 1 °C = 6 °C

🔥 Problemă experimentală - Echilibrul termic

Atenție!

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

🔓 Problemă experimentală - Echilibrul termic

4.4. Echilibrul termic

Materiale necesare:
Vas metalic, sursă de încălzire, un borcan de 800 g (mare), o sticluţă sau un borcănel care să încapă în borcanul mare, două termometre (pot fi și de cameră), cronometru.

Descrierea experimentului:

• Pune apă rece de la robinet în borcanul mai mic şi măsoară-i temperatura inițială: t₁ = .......... °C,
• Încălzeşte separat apă, apoi pune-o în borcanul mai mare și măsoară-i temperatura: t₂ = …… °C
• Pune borcanul mic cu apa rece în borcanul mai mare cu apa caldă și în fiecare pune câte un termometru. Pornește cronometrul.
• Urmăreşte indicaţiile termometrului până când acesta rămâne la aceeaşi temperatură, pe care o notezi cu t_e = ......... °C. Trece temperaturile celor două ape în următorul tabel:

• Realizează graficul dependenței temperaturilor apei reci, respectiv calde în funcție de timp.

Concluzia experimentului:

Apa rece își mărește temperatura, iar apa caldă își micșorează temperatura, până ajung la aceeași temperatură. Două corpuri cu temperaturi diferite, puse în contact termic, după un anumit timp, ajung să aibă aceeași temperatură (numită temperatură de echilibru = t_e), adică să fie în echilibru termic.

🔥 Problemă experimentală - Vaporizarea și condensarea

Atenție!

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

🔓 Problemă experimentală - Vaporizarea și condensarea

4.5. Cum fierbe apa?

Materiale necesare:
Pahar Erlenmeyer cu apă distilată, spirtieră, trepied, sită de azbest, dop cu termometru, cronometru.

Descrierea experimentului:

• Pune paharul cu apă pe sită și trepied.
• Măsoară temperatura inițială a apei.
• Aprinde spirtiera și pornește cronometrul la începerea încălzirii apei.
• Măsoară timpul la fiecare creștere a temperaturii apei cu 10 °C și trece datele în următorul tabel:

• Ce observi ?

  Apa începe să fiarbă la 100 °C. Pe parcursul fierberii, temperatura apei rămâne la 100 °C, chiar dacă continuăm încălzirea.

• Reprezintă graficul dependenței temperaturii în funcție de timp.

• Fenomenele corespunzătoare fiecărui segment sunt :

  • AB, BC, CD reprezintă evaporarea apei
  • DE reprezintă fierberea apei

🔓 Probleme recapitulative rezolvate - Fenomene termice.

4.6. Pentru a înțelege de ce șinele de cale ferată nu se sudează și când se montează se lasă un spațiu între ele, numit rost, să aflăm cu cât se dilată la 40 °C o șină de cale ferată, care la 0 °C are lungimea de 10 m? Se dă coeficientul de dilatare termică liniară a fierului α = 0,000012 K^-1.

Se scriu datele problemei:
t₁ = 40 °C
t₀ = 0 °C
l₀ = 10 m
α_Fe = 0,000012 K^-1

Scriem formula care definește coeficientul de dilatare liniară și care este constanta de proporționalitate dintre variația relativă a lungimii barei și variația temperaturii barei:

Dacă o bară de 10 m se dilată cu aproape jumătate de centimetru, atunci dacă ar fi sudată de o altă bară, în urma dilatării când este caniculă, s-ar deforma și trenul ar deraia de pe șine.

4.7. Două corpuri, 1 și 2, au fost puse în contact termic. Iată graficul evoluției în timp a temperaturii celor două corpuri:

Se cere:
a) Cât sunt temperaturile inițiale ale celor două corpuri?
b) Cât este temperatura de echilibru?
c) După câte minute cele două corpuri au ajuns la echilibru termic?
d) Ce fenomen suferă fiecare corp în timpul contactului termic?

Rezolvare:

a) Corpul 1 are temperatura inițială de 60 °C, fiind corpul cald și corpul 2 are temperatura inițială de 10 °C, fiind corpul rece (la momentul 0 min).

b) Temperatura de echilibru ale celor două corpuri (temperatura lor finală) este de 30 °C.

c) Cele două corpuri au ajuns la echilibru termic după 6 min.

d) În timpul contactului termic, corpul 1 (rece) primește căldură și se încălzește. Corpul 2 (cald) cedează căldură și se răcește.

4.8. În graficul de mai jos este reprezentată dependența volumului unui lichid de temperatură. Care este acest lichid?

Rezolvare:

La temperatura de 4 °C lichidul are cel mai mic volum și prin urmare, cea mai mare densitate.

Când lichidul este răcit sub 4 °C, volumul lui crește.

Când lichidul este încălzit peste 4 °C, volumul lui crește.

Aceste fenomene ciudate sunt suferite numai de apă și poartă numele de anomalia apei.

4.9. O lamă bimetalică este un ansamblu de două lame din metale diferite, prinse cu nituri. Ele la încălzire se curbează, deoarece ele își măresc lungimea diferit. Lamele bimetalice se utilizează drept întrerupătoare electrice la aparatele electrice cu termostat. În imaginile de mai jos sunt reprezentate doua lame bimetalice care s-au curbat la încălzire. Ordonează cele trei metale A, B și C în ordinea crescătoare a dilatării lor în lungime.

Rezolvare:

La prima lamă bimetalică, metalul A își mărește mai mult lungimea decât metalul B, prin încălzire.

La a doua lamă bimetalică, metalul B își mărește mai mult lungimea decât metalul C, prin încălzire.

Ordinea crescătoare a metalelor care se dilată liniar este C, B, A.

Exemplu:
Fe, Cu, Al

4.10. Unui corp prin încălzire îi scade densitatea cu 20%. Cu cât la sută îi crește volumul?

Rezolvare:

Notăm datele despre corp la temperatura camerei cu indice 1, iar cele după încălzire cu indice 2.

Scriem densitatea corpului după încălzire (ρ₂) ținând cont că aceasta a scăzut cu 20% față de densitatea inițială (ρ₁):

Scriem formula densității ținând cont că prin încălzirea unui corp, la dilatare, se mărește doar volumul corpului, masa acestuia rămâne aceeași:

Se aduc toți termenii acestei ecuații la același numitor (10 ∙ V₁ ∙ V₂) și se renunță la numitor. De asemenea masa m se reduce la toți termenii:

Volumul corpului prin încălzire a crescut cu 25%.

4.11. De ce pe instrumentele de măsură cu scală gradată (vase gradate, rulete etc.) apare scris 20 °C?

Dilatarea instrumentelor de măsură cu scală gradată poate schimba distanța dintre diviziuni conducând la citiri eronate ale mărimilor măsurate. Ele sunt etalonate pentru a fi folosite la temperatura camerei de 20 °C.

4.12. Un corp de aluminiu de 270 g la temperatura de t₀ = 20 °C are densitatea ρ₀ = 2,7 g/cm³. Încălzind corpul la temperatura t = 80 °C, volumul său crește cu ΔV = 420 mm³. Ce densitate ρ are corpul la t = 80 °C?

Rezolvare:

Transformăm creșterea volumului în cm³ :

Scriem formula densității și scoatem volumul inițial al corpului:

Scriem volumul corpului după încălzire, mărit cu ΔV:

V = V₀ + ΔV

Scriem formula densității după încălzirea, respectiv dilatarea corpului:

Înlocuim în formula obținută datele numerice și calculăm densitatea corpului la temperatura de 80 °C:

Exerciții.

🔐 Exerciții - Stare termică. Temperatură.

4.13. Mihai a primit de la tatăl său un acvariu cu peștișori. El a aflat că temperatura optimă a apei din acvariu este de 25°C și că poate suferi doar variații mici de temperatură de 1-2°C. El a măsurat temperatura apei de acvariu din oră în oră folosind un termometru cu alcool. A notat valorile indicate de termometru într-un tabel și apoi a realizat diagrama de mai jos.

Încercuiește litera corespunzătoare răspunsului corect.

Temperatura indicată de termometru la ora 15 este mai mare decât temperatura indicată de termometru la ora 9 cu:

a) 2°C

b) 4°C

c) 5°C

d) 6°C

🔐 Exerciții recapitulative - Fenomene termice.

4.14. Calculează variația (diferența de) temperatură din tabelul cu temperaturi minime și maxime pe o săptămână:

4.15. Transformă:

a) t = 67 °C = ? K

b) T = 538 K = ? °C

4.16. Două corpuri, 1 și 2, au fost puse în contact termic. Iată graficul evoluției în timp a temperaturii celor două corpuri:

Se cere:

a) Cât sunt temperaturile inițiale ale celor două corpuri?

b) Cât este temperatura de echilibru?

c) După câte minute cele două corpuri au ajuns la echilibru termic?

d) Care este corpul cald și care este corpul rece?

e) Ce fenomen suferă fiecare corp în timpul contactului termic?

4.17. Completează următoarele afirmații:

a) O bară de cupru, prin încălzire, își mărește......................................

b) O bilă de aluminiu, prin încălzire, își mărește..................................

c) O lamă de zinc, prin încălzire, își mărește.........................................

d) Lichidele se .........................prin răcire și își micșorează volumul.

e) Gazele se dilată prin încălzire și își .............................. volumul.

f) Lichidele au..............................propriu și nu au ..................proprie.

g) Solidele au ............................propriu și ...................proprie.

h) Gazele nu au .......................propriu și nici ......... ..........proprie.

4.18. Completează următoarea schemă cu numele fenomenelor pe săgețile indicate:

4.19. Doi cilindri, A și B, sunt umpluți unul cu apă și celălalt cu aer. Se apasă asupra pistoanelor acestor cilindrii. Iată cum arată cilindrii după apăsarea asupra pistoanelor lor. Care cilindru conține apă?

4.20. Ana pune apă într-un ibric pe aragaz. După 5 minute măsoară temperatura apei și termometrul indică 100 °C.

Se cere:

a) Ce se întâmplă cu temperatura apei după alte 5 minute de încălzire pe aragaz?

b) Când începe să fiarbă apa?

c) Până la temperatura de 100 °C, cum se numește vaporizarea apei care are loc numai la suprafața acesteia?

4.21. De ce o minge de ping-pong deformată și introdusă în apă fierbinte, revine la forma sa sferică?

4.22. Ce fenomen suferă stratul de aer de deasupra unei lumânări aprinse? Ce se întâmplă cu densitatea lui?

4.23. Indică fenomenul implicat în formarea:

a) Brumei - ........................

b) Norilor - .........................

c) Ploilor - ..........................

d) Ceții - ...............................

e) Fulgilor de zăpadă - ..........................

4.24. Pe ce fenomen se bazează funcționarea termometrului cu lichid?

4.25. De ce podurile metalice nu trebuie fixate la ambele capete în beton armat?

4.26. De ce cablurile electrice aeriene trebuie să aibă lungimea mai mare decât distanța dintre cei doi stâlpi?

4.27. Spray-urile nu trebuie ținute la soare și nici aproape de sursele de căldură. De ce?

4.28. De ce nu se sudează șinele de cale ferată și trebuie lăsată între ele un rost?

4.29. De ce o sticlă de plastic goală astupată și pusă la congelator se strânge?

4.30. Ce se întâmplă cu densitatea stratului de aer, de deasupra unei flăcări?

4.31. De ce medicii stomatologi ne recomandă să nu consumăm alimente foarte reci după ce am consumat alimente foarte calde (sau invers)?

4.32. Ce se întâmplă cu apa colorată din tubul în formă de „U” când încălzim aerul din flaconul atașat prin furtun la tubul „U”?

Test de autoevaluare.

📝 TEST1: Test de autoevaluare - Fenomene termice.

4.33. Calculează variația temperaturii pentru ziua de marți și miercuri pe baza datelor din tabelul cu temperaturi minime și maxime:

4.34. Transformă:

a) t = 100 °C = ? K

b) T = 430 K = ? °C

4.35. Două corpuri, 1 și 2, au fost puse în contact termic. Iată graficul evoluției în timp a temperaturii celor două corpuri:

Se cere:

a) Cât sunt temperaturile inițiale ale celor două corpuri?

b) Cât este temperatura de echilibru?

c) După câte minute cele două corpuri au ajuns la echilibru termic?

d) Ce fenomen suferă fiecare corp în timpul contactului termic?

4.36. Completează următoarele afirmații:

a) O bară de cupru, prin încălzire, își mărește......................................

b) O bilă de aluminiu, prin încălzire, își mărește..................................

c) Lichidele prin încălzire își măresc...........................................

d) Gazele prin răcire își........................volumul.

4.37. Completează următoarele afirmații:

a) Lichidele au.............................. propriu și nu au .................. proprie.

b) Solidele au distanțele dintre particule ............................ .

c) Gazele au forțele de atracție dintre particule ....................... .

d) Dintre solide, lichide și gaze sunt compresibile numai ........................... .

4.38. Completează următoarea schemă cu numele fenomenelor pe săgețile indicate:

4.39. Indică formarea:

a) Brumei - ........................

b) Norilor- .........................

c) Fulgilor de zăpadă - ..........................

d) Ceții - ...............................

4.40. Cum se montează podurile metalice?

Fiecare subiect este de 1 p și din oficiu 2p.