Em sua mais famosa experiência, Joule construiu um dispositivo para medir o equivalente mecânico do calor (veja a figura). Depois de elevados por meio da manivela, os discos P caem de certa altura e, durante sua queda, um sistema de pás, mergulhadas na água contida num compartimento termicamente isolado, gira fazendo com que aumente a temperatura da água. Sabendo que a massa de água contida no compartimento termicamente isolado seja 0,25 kg, a massa de cada disco seja m = 1,0 kg, e que cada um caia de uma altura h = 1,0 m, pode-se afirmar que a variação de temperatura, em 10–3 ºC, sofrida pela água, será
DADOS: Considere que o calor específico da água seja 4,0 x 103 J/kgoC. Admita que toda energia potencial seja transformada em energia térmica; despreze o calor absorvido pelas pás e adote g = 10 m/s2.
- A) 12.
- B) 15.
- C) 20.
- D) 25.
- E) 30.
Resposta:
A resposta correta é a letra C) 20.
Para encontrar a variação de temperatura, precisamos calcular a energia mecânica transformada em energia térmica. Como a energia potencial é transformada em energia térmica, podemos utilizar a fórmula:
$$E_p = mgh$$
Onde $E_p$ é a energia potencial, $m$ é a massa do disco, $g$ é a aceleração da gravidade e $h$ é a altura de queda.
Como há dois discos, a energia total é:
$$E_p = 2 times mgh = 2 times 1,0 times 10 times 1,0 = 20 J$$
Como toda a energia potencial é transformada em energia térmica, podemos utilizar a fórmula:
$$Q = mc Delta T$$
Onde $Q$ é a quantidade de calor, $m$ é a massa de água, $c$ é o calor específico da água e $Delta T$ é a variação de temperatura.
Substituindo os valores, temos:
$$20 J = 0,25 kg times 4180 J/kg°C times Delta T$$
$$Delta T = frac{20 J}{0,25 kg times 4180 J/kg°C} = 19,2 °C$$
Portanto, a variação de temperatura é de aproximadamente 20°C.
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