A transferência de calor por radiação pode ser observada realizando-se a experiência de colocar a mesma quantidade de água quente em dois copos metálicos com as mesmas características, sendo que a superfície externa de um deles é pintada de preto (copo 1), e a do outro é espelhada (copo 2). Sabe-se que todo material emite e absorve energia radiante e que bons emissores são também bons absorvedores dessa energia.
Ao se colocar um termômetro dentro de cada copo observa-se, após alguns minutos, que a temperatura da água
A) dos dois copos diminui igualmente.
B) do copo 1 diminui, e a do copo 2 permanece a mesma.
C) do copo 2 diminui, e a do copo 1 permanece a mesma.
D) do copo 1 diminui mais rapidamente do que a do copo 2.
E) do copo 2 diminui mais rapidamente do que a do copo 1
✍ Resolução Em Texto
Matérias Necessárias para a Solução da Questão
- Física (Termologia: Propagação de Calor).
- Radiação Térmica (Corpo Negro e Lei de Kirchhoff).
- Absorção e Emissão.
Tema/Objetivo Geral:
Compreender que as características superficiais de um objeto (cor e textura) influenciam sua capacidade de trocar calor por radiação. O aluno deve aplicar a regra de que “bons absorvedores são bons emissores”.
Nível da Questão:
Médio.
Justificativa: A intuição do dia a dia diz que “preto esquenta”. O aluno pode achar que o copo preto manteria a água quente (por absorver calor). O desafio é perceber que, se não há fonte de luz externa (como o sol), o corpo preto atua como emissor, esfriando mais rápido.
Gabarito:
Letra D – do copo 1 diminui mais rapidamente do que a do copo 2.
Resolução Passo a Passo
1️⃣ PASSO – O QUE A QUESTÃO QUER? (O MAPA DA MINA)
A Missão:
Temos dois copos com água quente.
- Copo 1: Preto.
- Copo 2: Espelhado.
Eles estão perdendo calor para o ambiente (que está mais frio).
A pergunta é: Qual deles esfria mais rápido?
A Analogia Central (A Roupa da Festa):
Imagine que o calor é dinheiro que você quer gastar (emitir).
- O Preto é um gastador compulsivo (Bom Emissor). Ele joga dinheiro (calor) para todo lado.
- O Espelhado é um cofre trancado (Mau Emissor). Ele guarda o dinheiro (calor) lá dentro, refletindo-o de volta para a água.
A questão quer saber quem fica pobre (frio) mais rápido.
Nosso Plano de Ataque:
- Lembrar a regra de emissão: Preto emite muito, Espelho emite pouco.
- Aplicar ao resfriamento: Quem emite mais, perde mais energia.
- Concluir que o Copo 1 (Preto) esfria mais rápido.
2️⃣ PASSO – DESVENDANDO AS FERRAMENTAS (A CAIXA DE FERRAMENTAS)
Vamos usar a Lei de Kirchhoff da Radiação:
- Corpo Negro (Ideal): Absorve 100% da radiação que chega e Emite o máximo possível de radiação térmica.
- Corpo Espelhado/Branco: Reflete a radiação que chega e Emite muito pouco (é um isolante de radiação).
Regra Prática:
- Para manter o café quente: Use garrafa térmica espelhada (para não deixar o calor sair por radiação).
- Para esfriar o motor/radiador: Pinte de preto fosco (para ajudar o calor a sair).
3️⃣ PASSO – INTERPRETAÇÃO GUIADA (MÃO NA MASSA)
Vamos analisar os copos.
Copo 1 (Preto):
A água está quente. As moléculas agitam a parede do copo.
A parede preta é uma excelente “antena transmissora” de infravermelho. Ela converte a energia térmica da água em ondas de calor e as lança para fora com eficiência máxima.
Resultado: O copo perde energia (J) por segundo muito rápido. A temperatura cai rápido.
Copo 2 (Espelhado):
A água está quente.
A parede espelhada (polida) tem baixa emissividade. Ela tem dificuldade em converter o calor em radiação para fora. Grande parte da radiação interna “bate no espelho” e volta para dentro.
Resultado: O copo perde energia lentamente. Ele funciona como uma garrafa térmica primitiva. A temperatura cai devagar.
Conclusão:
A temperatura do Copo 1 diminui mais rapidamente que a do Copo 2.
ALERTA DE DETETIVE! 🚨
CUIDADO com a “Absorção”!
Muitos alunos pensam: “O preto absorve calor, então ele devia ficar mais quente!”.
Isso só é verdade se houver uma fonte externa de luz/calor (como o Sol ou uma lâmpada) iluminando os copos. Nesse caso, o preto absorveria mais e esquentaria.
Mas a questão não fala de fonte externa. Fala de água quente dentro esfriando. O fluxo de calor é de dentro para fora. Nesse cenário, o “bom absorvedor” vira “bom emissor”. O preto não “segura” calor, ele “cospe” calor.
A Bússola (O Perfil do Culpado):
- Síntese do raciocínio: Preto emite bem
→→Perde calor rápido→→Esfria rápido. Espelho emite mal→→Perde calor devagar→→Esfria devagar. - Expectativa: Copo 1 mais rápido que Copo 2.
4️⃣ PASSO – ALTERNATIVAS COMENTADAS (A AUTÓPSIA)
a) dos dois copos diminui igualmente.
- Diagnóstico do Erro: Ignorou a superfície.
- Análise: Isso só aconteceria se a cor não importasse na radiação térmica, o que é falso. A emissividade depende da superfície.
- Conclusão: 🔴 Alternativa incorreta.
b) do copo 1 diminui, e a do copo 2 permanece a mesma.
- Diagnóstico do Erro: Garrafa térmica perfeita.
- Análise: O copo 2 é espelhado, mas não é um isolante perfeito (não existe adiabático perfeito). Ele vai esfriar, só que mais devagar. Dizer que “permanece a mesma” viola a Segunda Lei da Termodinâmica (o calor flui do quente para o frio).
- Conclusão: 🔴 Alternativa incorreta.
c) do copo 2 diminui, e a do copo 1 permanece a mesma.
- Diagnóstico do Erro: Física impossível.
- Análise: O copo preto (1) é o melhor emissor. É impossível ele manter a temperatura enquanto o espelhado esfria. E nenhum mantém a temperatura para sempre sem fonte de calor.
- Conclusão: 🔴 Alternativa incorreta.
d) do copo 1 diminui mais rapidamente do que a do copo 2.
- Análise: Perfeito. O copo preto tem alta emissividade, irradiando calor para o ambiente com maior potência que o copo espelhado (baixa emissividade).
- Conclusão: 🟢 Alternativa correta.
e) do copo 2 diminui mais rapidamente do que a do copo 1
- Diagnóstico do Erro: Inversão do conceito.
- Análise: O aluno pode ter pensado que “espelho reflete o frio” ou que “preto segura o calor”. Como vimos no alerta, preto não segura calor, ele absorve e emite bem. No escuro (sem fonte externa), ele só emite.
- Conclusão: 🔴 Alternativa incorreta.
5️⃣ PASSO – O GRAND FINALE (APRENDIZAGEM EXPANDIDA)
A cor não é só estética, é termodinâmica. Preto é a porta aberta para o calor sair (ou entrar). Espelho é a porta fechada.
Resumo-flash:
“Preto é generoso (emite tudo), Espelho é egoísta (guarda o calor): a água no preto gasta tudo e esfria.”
Para ir Além (A Ponte para o Futuro): 🧠
Por que os ursos polares têm pele preta (embaixo do pelo branco)? Para serem bons absorvedores do pouco sol que existe.
Por que os satélites são embrulhados em papel dourado/prateado? Para não esquentarem demais com o Sol e não congelarem demais na sombra, isolando-se termicamente pela baixa emissividade do espelho.
