Probleme rezolvate
4.1. Transformă o temperatură de 40°C în Kelvin și grade Fahrenheit.
Rezolvare:
4.2. Transformă o temperatură de 560 K în grade Celsius.
Rezolvare:
t = 560 – 273,15 = 286,85 °C
4.3. Calculează variația temperaturii din tabelul cu temperaturi minime și maxime pe o săptămână:
Rezolvare:
ΔtLuni = tmax – tmin = -1 °C - (-5 ) °C = -1 °C + 5 °C = 4 °C
ΔtMarți = tmax – tmin = 4 °C - (-2) °C = 4 °C + 2 °C = 6 °C
ΔtMiercuri = tmax – tmin = -2 °C - (-10) °C = -2 °C + 10 °C = 8°C
ΔtJoi = tmax – tmin = 2 °C - (-3 ) °C = 2 °C + 3 °C = 5 °C
ΔtVineri = tmax – tmin = 0 °C - (-1) °C = 1 °C
ΔtSâmbătă = tmax – tmin = 5 °C - 2 °C = 3 °C
ΔtDuminică = tmax – tmin = 7 °C - 1 °C = 6 °C
🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
🔥 Atenție! 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!
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 te = ......... °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 = te), adică să fie în echilibru termic.
🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
🔥 Atenție! 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!
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.
- M ăsoară 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
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.
Rezolvare:
Se scriu datele problemei:
t1 = 40 °C
t0 = 0 °C
l0 = 10 m
αFe = 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?
Rezolvare:
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:
