feita de vidro comum [γ = 2,7 × 10−5 ◦C −1 ], cheia de azeite de oliva [γ = 6,8 × 10−4 ◦C −1 ] até uma altura 1,0mm abaixo do topo da xícara. Inicialmente a xícara e o azeite estão à temperatura ambiente de 20 ◦C. A xícara e o azeite se aquecem devagar e atingem uma temperatura comum. Em que temperatura o azeite começará a transbordar da xícara?
dV = ViαΔT => Vf - Vi = ViγΔT => Vf = Vi + ViγΔT
dV - Diferença volumétrica, Vi - Volume inicial, α - coeficiente de dilatação linear.
O volume da xícara Vfx menos o volume do azeite Vfa, deve ser igual a 0, qualquer variação acima disso e o azeite derrama.
Logo, temos que
Vfx - Vfa = 0 => Vix + VixγxΔT - Via - ViaγaΔT = 0
Vix + VixγxΔT = Via + ViaγaΔT
A volume da xícara é 0,1 m*A, e o do azeite é 0,099 m*A
0,1 m*A + (0,1 m)A(2,7 × 10−5 ºC −1)ΔT = 0,099 m*A + (0,099 m)A( 6,8 × 10−4 ºC −1)ΔT
[10^(-3) m] = ΔT[0,6462 × 10−4 ºC −1] => ΔT = 15,5 °C
Lembre-se que a temperatura inicial era de 20 °C
Tf - Ti = 15,5 °C => Tf = 15,5°C + 20 °C = 35,5 °C
Nesse exercício vamos calcular a dilatação volumétrica de ambos os materiais. O líquido começa a transbordar quando o volume da xícara e do azeite se igualam. Para começar, vamos calcular o volume da xícara em função da temperatura:
\(V_x = V_0\left(1+\gamma_v\Delta T\right)\)
Escrevendo o volume em função da área da base da xícara e sua altura, temos:
\(V_x = A_0H_0\left[1+\gamma_v(T-T_0)\right]\)
Para o volume do azeite, temos:
\(V_a = V_0\left(1+\gamma_a\Delta T\right)\)
Escrevendo o volume em função da área da base da xícara e sua altura, temos:
\(V_a = A_0h_0\left[1+\gamma_a(T-T_0)\right]\)
Igualando o volume da xícara ao volume do azeite, temos:
\(A_0H_0\left[1+\gamma_v(T-T_0)\right]=A_0h_0\left[1+\gamma_a(T-T_0)\right]\)
Escrevendo a temperatura em função do restante dos parâmetros, temos:
\(T = T_0+{H_0-h_0\over h_0\gamma_a-H_0\gamma_v}\)
Substituindo os dados do exercício, temos:
\(T = 20+{0,1\over 9,9\cdot 6,8\cdot10^{-4}-10\cdot2,7\cdot10^{-5}}\)
Efetuando os cálculos, temos:
\(\boxed{T \approx 35,48^oC}\)
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