Exercícios sobre irradiação térmica (com respostas comentadas)
A irradiação térmica ocorre por três etapas principais.
Emissão: Todo corpo com temperatura acima do zero absoluto (0 K) emite radiação térmica. A intensidade e o comprimento de onda dessa radiação variam conforme a temperatura do corpo.
Absorção: Quando um corpo recebe radiação, ele pode absorver parte dessa energia, elevando sua temperatura, refletir parte dela ou permitir que a radiação a atravesse (transmissão).
Transferência: O calor é transportado por ondas eletromagnéticas, predominantemente na faixa do infravermelho, permitindo a transferência de energia mesmo no vácuo.
A intensidade da radiação térmica emitida por um corpo pode ser calculada pela Lei de Stefan-Boltzmann:
Onde:
- P: Potência emitida (em Watts)
- σ: Constante de Stefan-Boltzmann igual a 5,67.10 - 8 W / m2.K4
- A: Área da superfície emissora (m²)
- T: Temperatura absoluta do corpo (K)
Resolva as questões abaixo e teste seus conhecimentos sobre o processo de irradiação térmica.
Questão 1
Ao observarmos o Sistema Solar, percebemos que existe um imenso vácuo entre o Sol e a Terra.
No entanto, a energia emitida pelo Sol atinge o nosso planeta e sustenta a vida.
Diferente da condução e da convecção, a energia térmica do Sol chega até nós através de:
a) vibrações moleculares que atravessam o espaço sideral.
b) correntes de ar que transportam calor do espaço para a atmosfera.
c) ondas eletromagnéticas, que podem se propagar inclusive na ausência de meio material.
d) elétrons livres que saltam da superfície solar até a crosta terrestre.
Resposta correta: alternativa c) ondas eletromagnéticas, que podem se propagar inclusive na ausência de meio material.
A irradiação (ou radiação) é o único processo de transferência de calor que ocorre através de ondas eletromagnéticas (principalmente na faixa do infravermelho), o que permite que a energia se propague pelo vácuo do espaço.
Questão 2
Em um dia de verão muito ensolarado, dois amigos decidem caminhar pelo parque.
Um deles está vestindo uma camiseta de algodão preta e o outro uma camiseta de algodão branca, ambas com o mesmo tecido e espessura.
Após alguns minutos sob o sol, o amigo de camiseta preta sente muito mais calor que o de branco.
Isso ocorre porque:
a) a cor preta reflete a maior parte da radiação incidente, aquecendo o ar ao redor.
b) a cor branca absorve todas as frequências de luz, transformando-as em calor.
c) a cor preta possui um alto coeficiente de absorção, convertendo a radiação luminosa em energia térmica.
d) a cor branca é uma melhor emissora de calor, enquanto a preta é uma isolante térmica.
Resposta correta: alternativa c) a cor preta possui um alto coeficiente de absorção, convertendo a radiação luminosa em energia térmica.
Superfícies escuras são excelentes absorvedoras de radiação eletromagnética (luz e infravermelho).
Ao absorverem essa energia, a agitação molecular aumenta, elevando a temperatura do material.
Já a cor branca reflete a maior parte da radiação, absorvendo menos energia.
Questão 3
As garrafas térmicas são projetadas para manter a temperatura do líquido em seu interior pelo maior tempo possível.
Elas utilizam uma ampola de vidro com paredes duplas e vácuo entre elas, e essas paredes costumam ser espelhadas.
A função específica de espelhar as faces internas da ampola de vidro é:
a) evitar a perda de calor por condução através do vidro.
b) impedir as correntes de convecção do líquido.
c) aumentar a resistência mecânica da garrafa contra impactos.
d) minimizar a troca de calor por irradiação, refletindo as ondas térmicas de volta ao seu ponto de origem.
Resposta correta: alternativa d) minimizar a troca de calor por irradiação, refletindo as ondas térmicas de volta ao seu ponto de origem.
Superfícies polidas e espelhadas possuem baixa emissividade e alta refletividade.
Assim, o calor que sai do café (radiação infravermelha) atinge a parede espelhada e é refletido de volta para o interior, reduzindo drasticamente a perda de energia por irradiação.
Questão 4
O efeito estufa é um fenômeno natural essencial para a vida na Terra, mas que tem sido intensificado pela ação humana.
O vidro de uma estufa de plantas (ou os gases da atmosfera) funciona como um filtro seletivo de radiação.
Sobre esse fenômeno, é correto afirmar que o vidro da estufa:
a) é opaco à luz visível e transparente ao infravermelho.
b) é transparente à luz visível (que entra e aquece o solo) e opaco à radiação infravermelha (que tenta sair).
c) impede a entrada de qualquer tipo de radiação, mantendo o calor interno por condução.
d) resfria o ambiente interno por refletir a radiação ultravioleta do sol.
Resposta correta: alternativa b) é transparente à luz visível (que entra e aquece o solo) e opaco à radiação infravermelha (que tenta sair).
O vidro permite a passagem da radiação de alta frequência (luz visível do sol).
Essa luz é absorvida pelos objetos internos e reemitida como radiação de baixa frequência (infravermelho/calor).
O vidro é opaco a essa frequência, impedindo que o calor saia facilmente, o que eleva a temperatura interna.
Questão 5
A Lei de Stefan-Boltzmann descreve a potência total irradiada por um corpo negro por unidade de área, estabelecendo que essa potência é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta:
P=σ⋅A⋅T4
Se a temperatura absoluta (em Kelvin) da superfície de uma estrela dobrar, a quantidade de energia que ela irradia para o espaço, por segundo, aumentará:
a) 2 vezes.
b) 4 vezes.
c) 8 vezes.
d) 16 vezes.
Resposta correta: alternativa d) 16 vezes.
De acordo com a Lei de Stefan-Boltzmann, a potência P é proporcional a T4.
Se a nova temperatura T′ = 2T, então a nova potência P′ será proporcional a (2T)4.
Como 24 = 16, a potência irradiada será 16 vezes maior, ou seja:
P′ = 16⋅P
Questão 6
Dois cubos metálicos de mesmas dimensões, um pintado de preto fosco e outro polido como um espelho, são aquecidos até 200°C e colocados em uma sala escura a 20°C.
Ao analisar o resfriamento desses cubos, observa-se que:
a) o cubo polido esfria mais rápido, pois metais são bons condutores.
b) o cubo preto esfria mais rápido, porque bons absorvedores de radiação também são excelentes emissores.
c) ambos esfriam na mesma taxa, pois possuem o mesmo volume e a mesma temperatura inicial.
d) o cubo polido esfria mais rápido, pois reflete o calor para longe de si.
Resposta correta: alternativa b) o cubo preto esfria mais rápido, porque bons absorvedores de radiação também são excelentes emissores.
Pela Lei de Kirchhoff da Radiação, o poder de emissão de uma superfície é proporcional ao seu poder de absorção.
O corpo negro (ou preto fosco) é um absorvedor ideal e, consequentemente, um emissor ideal (emissividade próxima a 1).
O cubo polido tem baixa emissividade, retendo o calor por mais tempo.
Questão 7
Uma placa metálica perfeitamente negra (emissividade e=1,0) possui uma área total de 2 m2.
Ela é mantida em um ambiente industrial a uma temperatura constante de 500 K.
Considere a constante de Stefan-Boltzmann como σ = 5,7 .10−8 W / (m2⋅K4).
A potência total irradiada por essa placa para o ambiente é de:
a) 7125 W
b) 14250 W
c) 3562 W
d) 28500 W
Resposta correta: alternativa a) 7125 W
O enunciado trouxe os seguintes dados:
- A = 2 m2
- T = 500 K
- e = 1,0
- σ = 5,7 . 10−8 W/m2.K4
Vamos substituir os valores na fórmula da potência:
P = e⋅σ⋅A⋅T4
P = 1,0 ⋅ (5,7 . 10−8) ⋅ 2 ⋅ (500)4
P = 1,0 ⋅ (5,7 . 10−8) ⋅ 2 ⋅ (5 . 102)4
P = 1,0 ⋅ (5,7 . 10−8) ⋅ 2 ⋅ 54⋅ (102)4
P = 1,0 ⋅ 5,7 . 10−8 ⋅ 2 ⋅ 625 . 108
P = 5,7 ⋅ 2 ⋅ 625 ⋅ 10(-8+8)
P = 11,4 ⋅ 625 ⋅ 100
P = 7125 ⋅ 1 = 7125 W
Para estudar mais: Irradiação Térmica: o que é, como ocorre, exemplos
SOUTO, Ana. Exercícios sobre irradiação térmica (com respostas comentadas). Toda Matéria, [s.d.]. Disponível em: https://www.todamateria.com.br/exercicios-sobre-irradiacao-termica-com-respostas-comentadas/. Acesso em:
