Um pedaço de gelo e um termômetro mais quente são colocados num recipiente fechado, no vácuo. O gelo e o termômetro estão suspensos de tal maneira, que não ficam em contato. Por que a leitura do termômetro diminui, após algum tempo?
Passo 1
Primeiro, vamos entender o que a questão está pedindo. Temos um pedaço de gelo e um termômetro mais quente colocados em um recipiente fechado no vácuo. Eles estão suspensos de forma que não entram em contato. A pergunta é: por que a leitura do termômetro diminui após algum tempo?
Conteúdo da matéria: Transferência de calor, especificamente em ambientes no vácuo.
O que vamos precisar: Conhecer os modos de transferência de calor (condução, convecção e radiação) e entender como eles funcionam no vácuo.
Passo 2
Vamos falar sobre os modos de transferência de calor. Existem três principais:
Condução: Transferência de calor através de um material sólido.
Convecção: Transferência de calor através de fluidos (líquidos ou gases) em movimento.
Radiação: Transferência de calor através de ondas eletromagnéticas, que pode ocorrer mesmo no vácuo.
No nosso caso, o recipiente está no vácuo, ou seja, não há ar ou outro fluido para conduzir ou convetcer o calor. Portanto, a única forma de transferência de calor disponível é a radiação.
Passo 3
Agora, vamos pensar no termômetro mais quente e no gelo. O termômetro está emitindo radiação térmica porque está mais quente, e o gelo também pode emitir radiação, mas como está mais frio, ele absorve mais radiação do termômetro do que emite.
Essa troca de radiação faz com que o termômetro perca energia térmica para o gelo, mesmo sem contato direto entre eles. Essa perda de energia faz com que a temperatura do termômetro diminua.
Passo 4
Em termos de física, podemos usar a Lei de Stefan-Boltzmann para entender a radiação térmica:
Onde:
é a potência emitida,
é a constante de Stefan-Boltzmann (),
é a área da superfície emissora,
é a temperatura absoluta em Kelvin.
Essa fórmula nos mostra que a quantidade de energia irradiada aumenta com a temperatura. Logo, o termômetro, por ser mais quente, irradia mais energia inicialmente, mas conforme perde calor, sua temperatura diminui, reduzindo a radiação e estabilizando em uma nova temperatura de equilíbrio com o gelo.
Passo 5
Resumindo, mesmo sem contato direto e em um ambiente de vácuo, o termômetro perde calor através da radiação térmica para o gelo, o que faz com que sua temperatura diminua ao longo do tempo.
Resposta
A leitura do termômetro diminui porque, no vácuo, ele perde calor por radiação térmica para o gelo, fazendo com que sua temperatura diminua com o tempo.