FisicaNet - Prof. Alberto Ricardo Prass
QUESTÕES RESOLVIDAS
QUESTÕES RESOLVIDAS
Questão 102
O objetivo de recipientes isolantes térmicos é minimizar as trocas de calor com o ambiente externo. Essa troca de calor é proporcional à condutividade térmica \(k\) e à área interna das faces do recipiente, bem como à diferença de temperatura entre o ambiente externo e o interior do recipiente, além de ser inversamente proporcional à espessura das faces.

A fim de avaliar a qualidade de dois recipientes A (\(40\text{ cm} \times 40\text{ cm} \times 40\text{ cm}\)) e B (\(60\text{ cm} \times 40\text{ cm} \times 40\text{ cm}\)), de faces de mesma espessura, uma estudante compara suas condutividades térmicas \(k_A\) e \(k_B\). Para isso suspende, dentro de cada recipiente, blocos idênticos de gelo a \(0\text{ }^\circ\text{C}\), de modo que suas superfícies estejam em contato apenas com o ar. Após um intervalo de tempo, ela abre os recipientes enquanto ambos ainda contêm um pouco de gelo e verifica que a massa de gelo que se fundiu no recipiente B foi o dobro da que se fundiu no recipiente A.

A razão \(\frac{k_A}{k_B}\) é mais próxima de
Alternativas
A) \(0{,}50\)
B) \(0{,}67\) Correta
C) \(0{,}75\)
D) \(1{,}33\)
E) \(2{,}00\)
Resolução Comentada

1. De acordo com a Lei de Fourier para a condução térmica, o fluxo de calor é expresso por:

\[ \Phi = \frac{k \cdot A \cdot \Delta T}{e} \]

2. Como o intervalo de tempo, a espessura das faces e a diferença de temperatura são iguais para ambos, o calor total transmitido é proporcional a \(k \cdot A\).

3. A massa de gelo fundida \(m\) é proporcional ao calor recebido, logo \(m\) é proporcional a \(k \cdot A\).

4. Calculando a área interna total do recipiente A (\(40\text{ cm} \times 40\text{ cm} \times 40\text{ cm}\)):

\[ A_A = 6 \cdot (0{,}4)^2 = 0{,}96\text{ m}^2 \]

5. Calculando a área interna total do recipiente B (\(60\text{ cm} \times 40\text{ cm} \times 40\text{ cm}\)):

\[ A_B = 2 \cdot (0{,}6 \cdot 0{,}4 + 0{,}6 \cdot 0{,}4 + 0{,}4 \cdot 0{,}4) = 1{,}28\text{ m}^2 \]

6. A massa de gelo fundida em B é o dobro da fundida em A, significando que \(Q_A / Q_B = 1/2\).

7. Substituindo na proporção:

\[ \frac{k_A \cdot A_A}{k_B \cdot A_B} = \frac{1}{2} \]

8. Isolando a razão das condutividades:

\[ \frac{k_A}{k_B} = \frac{1}{2} \cdot \frac{1{,}28}{0{,}96} = \frac{2}{3} \approx 0{,}67 \]

Alternativa (B).