CIÊNCIAS DA NATUREZA E SUAS TECNOLOGIAS FÍSICA EXTREMAMENTE FÁCIL Prof. MSc.Tarso Holanda

Transcrição

1 CIÊNCIAS DA NATUREZA E SUAS TECNOLOGIAS FÍSICA EXTREMAMENTE FÁCIL Prof. MSc.Tarso Holanda Prezado Aluno, Neste e-book de Física, será passada as nossas dicas mais importantes para o ENEM Para isso, selecionei um tema dos conhecimentos mais importantes para o o seu sucesso no Enem: Fenômenos Térmicos (Propagação do Calor). Com a abordagem desse assunto, espero contribuir significativamente para a melhor compreensão dessa Área do Conhecimento. Sucesso e boa diversão para você! 1. INTRODUÇÃO Buscando proporcionar dicas e fortalecer seus conhecimentos sobre as maneiras de propagação do calor na sua vida, pautado em competências e habilidades, apresentamos conceitos, exemplos, situações e questões abrangendo os processos de transferência do calor, que são tópicos relevantes nos mais variados exames seletivos para o ingresso nas principais universidades brasileiras, sempre tomando como referência o estilo do Exame Nacional do Ensino Médio (Enem). Curta bastante, pois a Física é extremamente fácil. 2. TEMA A SER ESTUDADO FENÔMENOS TÉRMICOS - PROPAGAÇÃO DO CALOR

2 Figura 1: Processos de propagação do calor. Sabemos que Calor é energia térmica em trânsito devido à diferença de temperatura existente, passando espontaneamente do corpo de maior para o de menor temperatura. Figura 2: Fluxo de calor entre dois corpos com temperaturas diferentes. Dessa forma, a temperatura do mais quente diminui e do mais frio aumenta até que se igualem. Nesse ponto, cessa a troca de energia térmica. Dizemos que foi atingido o equilíbrio térmico e a temperatura comum é denomina da temperatura final de equilíbrio térmico. BIZU: Lembrando que ao final desse processo será estabelecido o equilíbrio térmico, quando os corpos atingirem mesma temperatura, cessando o fluxo de calor. Figura 3: Equilíbrio térmico.

3 Para medir quantidade de calor, utilizamos no sisteme internacional (SI) o joule (J), ou outra de uso bastante comum em Física Térmica, que é a caloria (cal). Uma caloria é a quantidade de calor trocado por 1g de água no estado líquido quando sofre variação de temperatura de 1 ºC. Esse valor resulta de um experimento em que James Prescott Joule ( ) realizou, convertendo trabalho mecânico em energia térmica. Figura 4: Experimento de Joule. 3. INTRODUÇÃO Propagação do calor é definido com sendo à passagem da energia térmica de um corpo para outro ou de uma parte para outra de um mesmo corpo. Essa propagação pode ocorrer de três maneiras diferentes, que são conhecidas por: Condução, Convecção e Radiação/Irradiação térmica. 3.1 CONDUÇÃO TÉRMICA É o processo de propagação do calor em que a energia térmica se transmite de partícula para partícula. Ocorrendo colisões entre as partículas (átomos, moléculas), alterando sua agitação térmica

4 Figura 5: Condução térmica do calor numa barra metálica. BIZU: Perceba que, nesse processo, não ocorre transporte de matéria (partículas) pela barra (corpo), apenas interações entre partículas próximas (vizinhas). A condução ocorre principalmente nos meios sólidos, e sendo muito reduzida nos fluídos (líquidos, gases e vapores), e não ocorre no vácuo. APLICAÇÕES NO COTIDIANO O aquecimento da água existente em uma chaleira de cobre colocada sobre a chama de um fogão. A energia térmica, para atingir a água, deve atravessar uma placa de cobre, passando de molécula por molécula desse material. Figura 6: Aquecimento da água existente em uma chaleira por condução térmica. Fluxo de calor por condução térmica O fluxo de calor é definido como sendo a quantidade de energia térmica (calor), proveniente de uma fonte térmica, que atravessa uma superfície por unidade de tempo.

5 Figura 7: Fluxo de calor por uma parede de área (A). Algumas unidades de medidas: A lei que determina o fluxo de calor por condução térmica através de uma placa sólido foi estabelecida pelo matemático e físico francês Jean Baptiste Joseph Fourier ( ), sendo publicada, em 1822, a teoria analítica do calor, criando uma lei que levou o seu nome Lei de Fourier. Vamos considerar dois meios, (A) e (B) uma placa sólida feita de uma material de condutividade térmica (K), área de secção transversal (A), espessura (e), e que esteja submetida a uma diferença de temperatura, conforme a figura 6. Figura 8: Fluxo de calor através de uma parede de área (A). A lei de Fourier estabelece que o fluxo de calor, é expresso em termos dessas variáveis: (Lei de Fourier) BIZU: Percebemos que cada material tem um maneira diferente de conduzir o calor, que está relacionada com o tipo de substância e a natureza das ligações que o

6 compõem. Os materiais que facilitam são chamados de bons condutores térmicos (ex. Os metais), já os que dificultam chamamos de maus condutores ou isolantes térmicos (ex. gelo, neve, lã, papel, vidro, plásticos, isopor, água líquida, ar seco, etc.). Tabela 1: Coeficiente de condtibilidade térmica. Materiais Condutibilidade Térmica Ouro 257 Alumínio 178 Ferro e aço comum Porcelana 0,7 0,9 Cimento 0,8 Vidro 0,4 0,8 Cimento em pó 0,6 Água 9 Mercúrio 6,5 Ar seco 0,021 Vapor-d água 0,01 A tabela 1, mostra acima mostra o valor do coeficiente de condutibilidade térmica de alguns materiais. Fazendo uma comparação entre eles, percebemos que o ouro (bom condutor) tem uma condutibilidade térmica 12 mil vezes maior que à do ar seco ( Isolante térmico). EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO RESOLVIDO 01. (MODELO ENEM) Considere as seguintes informações verdadeiras sobre a condução térmica: I. O calor Q que atravessa, num intervalo de tempo t, uma parede feita de material de condutividade térmica K, de área A, espessura, submetida a uma diferença de temperatura entre suas faces, define o fluxo ( da seguinte maneira: (Lei de Fourier) II. As sensações térmicas diferentes, ao tocarmos objetos à mesma temperatura, são provocadas pela condutividade térmica das substâncias que os constituem, que podem retirar o calor, com maior ou menor velocidade de nossa pele. Com base nesses fatos, assinale a alternativa correta:

7 a) Uma lata de alumínio e uma garafa de vidro de suco natural, ambos a 0 C, parecem ter temperaturas diferentes ao serem tocadas pelas mãos de uma pessoa porque o calor específico sensível do vidro é maior que o do alumínio. b) Se dobrarmos a espessura de uma parede, o fluxo de calor através dela aumenta duas vezes, mantendo os outros parâmetros condicionantes do fenômeno inalterados. c) O fluxo de calor apresenta as mesmas unidades de potência no sistema internacional (SI). d) O vácuo entre as paredes espelhadas das garrafas térmicas não impede a condução de calor. e) Uma viga de concreto de uma ponte de 10 toneladas a 20 C transfere calor para um pilar de concreto de 5,0 toneladas a 20 C, gerando risco de trincas por dilatação térmica. Resolução Comentada a) Falsa. As sensações térmicas são produzidas por condutividades térmicas diferentes (Calumínio = cal/s cm C é maior que Cvidro = 2, cal/s cm C). Além disso, o calor específico sensível do vidro (0,20cal/g C) é menor que o do alumínio (0,21cal/g C). b) Falsa. e = (o fluxo fica reduzido pela metade) c) Verdadeira. O fluxo de calor pode ser medido em watts, que é a unidade de potência no SI. d) Falsa. A condução de calor não ocorre no vácuo. e) Falsa. A viga e o pilar estão em equilíbrio térmico a 20 C e não ocorre transferência de calor entre elas nem risco de trincos por dilatação. 02. (UFBA-MODELO ENEM) Ao encostarmos a mão em uma peça de cobre maciça e em seguida em um objeto de madeira, ambos à mesma temperatura ambiente, temos a sensação de que o cobre está mais frio, porque: a) a capacidade térmica da madeira é maior que a do cobre. b) o calor específico do cobre é menor que o da madeira. c) a condutibilidade térmica do cobre é maior que a da madeira.

8 d) a irradiação de calor da mão em contato com o cobre é menor do que quando em contato com a madeira. e) a convecção no cobre é superior à observada na madeira. Resolução Comentada O corpo humano é mais sensível às variações de temperaturas, na pele, provocadas pelas diferentes condutividades térmicas dos materiais tocados que impõem velocidades diferentes para as trocas de calor. Resposta: C 3.2 CONVECÇÃO TÉRMICA É o processo de propagação do calor em que a energia térmica se transmite mediante o transporte de matéria (correntes de convecção térmica). Percebemos a movimentação de matéria de uma posição para outra, sendo observado em meios fluídos (Líquidos, Gases e vapores). Figura 9: Aquecimento de uma porção de água líquida numa panela por convecção térmica. Podemos dizer que convecção térmica são movimentos de massas fluidas (líquidos, gases e vapores) que trocam de posição. Perceba que a convecção não pode ocorrer no vácuo nem nos sólidos. O processo de propagação do calor por convecção pode ser natural, quando é ocasionada por diferença de densidade (devido à diferença de temperatura) entre as massas de fluido ( quente e fria ), ou forçada, quando é ocasionada por bombas ou ventiladores. Exemplos:

9 Ar condicioando e aquecedor térmico de ambiente. Figura 10: Corrrentes de convecção do ar num ambiente devido um ar condicionado. Se você quiser resfriar seu quarto, é ideal instalar o ar condicionado na parte superior do ambiente, pois, o ar frio desce (mais denso) e o ar quente sobe (menos denso) gerando assim, uma corrente de convecção. E para aquecer um ambiente com um aquecedor térmico, devemos instalar na parte inferior, pois o ar quente (menos denso) vai subir e o ar frio (mais denso) vai descer, gerando assim, uma corrente de convecção. Geladeira doméstica Perceba que nas geladeiras domésticas, o congelador está sempre colocado na parte superior para que, pelaa correntes de convecção do ar, produza o resfriamento dos alimentos. O ar quente (menos denso) que está próximo dos alimentos sobe, sendo resfriado pelo congelador (parte mais fria ) e, agora, o ar frio (mais denso) desce para retirar energia térmica dos alimentos, resfriando-os. Para que a convecção do ar possa ocorrer, as prateleiras são grades vazadas. Não devemos cobrir essas prateleiras para não prejudicar as correntes de convecção do ar no interior da geladeira. As geladeiras modernas apresentam prateleiras de vidro temperado ou de acrílico e contam com tubos de convecção forçada por ventilador na parede traseira interna da geladeira.

10 Figura 10: Geladeira doméstica e circulação do ar por convecção térmica. Brisas marítimas e terrestre Outra situação na qual podemos perceber a convecção térmica é o sentido de propagação das brisas costeiras. Nas cidades do litoral, em dias normais, sopram brisas marítimas que vem do mar para o continente durante o dia, e brisas terrestres do continente para o mar. Por que será que é assim? DURANTE O DIA: Observamos que o ar próximo da areia fica mais quente que o restante (menos denso) e sobe, dando lugar a uma corrente de ar da água mais frio (mais denso) para a terra. É a brisa marítima que, durante o dia, sopra do mar para a terra. Figura 11: Brisas marítima durante o dia. DURANTE A NOITE: o ar próximo da superfície da água permance mais quente. Com isso ele fica menos denso que o restante e sobe, dando lugar a uma corrente de ar (mais frio ) da terra para a água. É a brisa terrestre, durante a noite, sopra da terra para o mar.

11 Figura 12: Brisas terrestre durante a noite. EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO RESOLVIDO 01. (MODELO ENEM) A formação dos ventos, a subida da fumaça pelas chaminés, a movimentação de massas líquidas sob aquecimento, o posicionamento dos aparelhos de ar-condicionado na parte superior das paredes e dos aquecedores no chão são exemplos de aplicação do conceito de convecção térmica. É correto afirmar: a) Durante o dia, a areia da praia fica mais quente que a água do mar e a brisa litorânea tem sentido da praia para o oceano. b) A subida do ar frio e da fuligem na chaminé permite a entrada do ar mais quente e rico em oxigênio, para alimentar a combustão da lenha da lareira. c) As correntes de convecção na água ocorreriam num ambiente de gravidade nula, pois a água quente é mais densa que a fria. d) Se o aparelho de ar-refrigerado fosse colocado na parte inferior da parede, o principal processo de resfriamento do ar seria a irradiação. e) Se um aquecedor elétrico de resistor incandescente fosse colocado no teto, poderíamos estimar sua temperatura por radiação térmica, aproximando a mão do aparelho. Resolução a) Falsa. A brisa litorânea diurna tem sentido do oceano para a praia. b) Falsa. O ar quente é que sobe com a fuligem. c) Falsa. Em campo gravitacional nulo, não ocorrem as correntes de convecção. Além disso, a água quente é menos densa que a fria. d) Falsa. Sem as correntes de convecção, o calor flui do ambiente de temperatura mais elevada para a região de temperatura menor ao redor do aparelho por condução do teto para o chão.

12 e) Verdadeira. O resistor incandescente emite ondas de infravermelho que sensibilizam a mão e permitem uma estimativa grosseira da temperatura do aquecedor. Resposta: E 2. Numa área de praia, a brisa marítima é uma consequência da diferença no tempo de aquecimento do solo e da água, apesar de ambos estarem submetidos às mesmas condições de irradiação solar. No local (solo) que se aquece mais rapidamente, o ar fica mais quente e sobe, deixando uma área de baixa pressão, provocando o deslocamento do ar da superfície que está mais fria (mar). À noite, ocorre um processo inverso ao que se verifica durante o dia. Como a água leva mais tempo para esquentar (de dia), mas também leva mais tempo para esfriar (à noite), o fenômeno noturno (brisa terrestre) pode ser explicado da seguinte maneira: a) O ar que está sobre a água se aquece mais; ao subir, deixa uma área de baixa pressão, causando um deslocamento de ar do continente para o mar. b) O ar mais quente desce e se desloca do continente para a água, a qual não conseguiu reter calor durante o dia. c) O ar que está sobre o mar se esfria e dissolve-se na água; forma-se, assim, um centro de baixa pressão, que atrai o ar quente do continente. d) O ar que está sobre a água se esfria, criando um centro de alta pressão que atrai massas de ar continental. e) O ar sobre o solo, mais quente, é deslocado para o mar, equilibrando a baixa temperatura do ar que está sobre o mar.

13 RESOLUÇÃO: Durante a noite, a água mantém-se aquecida pelo calor recebido durante o dia; o ar aquecido sobe, formando uma zona de baixa pressão. Ao mesmo tempo, em terra, o rápido esfriamento da superfície forma uma zona de alta pressão e o ar continental começa, então, a se deslocar para o mar para cobrir a diferença de pressão, formando a brisa terrestre. Resposta: A 3.3 RADIAÇÃO / IRRADIAÇÃO TÉRMICA É a propagação de calor na qual a energia térmica se propaga por meio de ondas eletromagnéticas (radiação infravermelha). Essa energia emitida por um corpo (radiação infravermelha) propaga-se até o outro através do espaço que os separa, sem transporte de matéria. Sendo uma propagação de calor por ondas eletromagnéticas, a radiação térmica não exige a presença de um meio material para ocorrer, isto é, propaga-se também no vácuo. Figura 13: Processo de propagação do calor por radiação térmica. Exemplos: Estufas e Efeito estufa Uma estufa é uma construção de vidro ou plástico transparente que mantém o seu interior com um temperatura mais elevada, mesmo estando o meio exterior a temperaturas menores. O vidro ou plástico transparente como o gás carbônico (CO 2 ), é transparente à luz visível e praticamente opaco às radiações térmicas (infravermelho).

14 Além disso, o vidro impede que o ar quente do interior da estufa escape por convecção térmica. Figura 14: Efeito estuda na Terra e numa estufa de plantas. Garrafa térmica É um dispositivo cujo objetivo é manter inalterada a temperatura do seu conteúdo, no maior intervalo de tempo possível. Para tanto, as paredes dessa garrafa devem evitar ao máximo o fluxo de calor através delas. Figura 15: Garrafe térmica ou vaso de Dewar. Para atingir o seu objetivo a garrafa térmica é feita com paredes duplas de vidro (mau condutor) espelhadas, entre as quais é feito vácuo. Assim, diminuindo a troca de calor por condução térmica. A convecção é reduzida ao mínimo por meio da vedação da garrafa com uma tampa isolante e bem fechada. As faces externa e interna da garrafa são espelhadas para minimizar a radiação térmica, de dentro e fora, como de fora para dentro, por reflexão e retornam ao meio de origem. EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO RESOLVIDO 1. Em um experimento, foram utilizadas duas garrafas PET, uma pintada de branco e a outra de preto, acopladas cada uma a um termomêtro. No ponto médio da distância entre as garrafas, foi mantida acesa, durante alguns minutos, uma lâmpada

15 incandescente. Em seguida, a lâmpada foi desligada. Durante o experimento, foram monitoradas as temperaturas das garrafas: a) enquanto a lâmpada permaneceu acesa e b) após a lâmpada ser desligada e atingirem equilíbrio térmico com o ambiente. A taxa de variação da temperatura da garrafa preta, em comparação com a da branca, durante todo experimento, foi: a) igual no aquecimento e igual no resfriamento. b) maior no aquecimento e igual no resfriamento. c) menor no aquecimento e igual no resfriamento. d) maior no aquecimento e menor no resfriamento. e) maior no aquecimento e maior no resfriamento.

16 RESOLUÇÃO COMENTADA: A garrafa preta absorve mais rapidamente a energia radiante do que a garrafa branca e sua taxa de variação de temperatura no aquecimento é maior. A maior rapidez de absorção da garrafa preta é acompanhada pela maior rapidez de emissão de radiação e, por isso, sua taxa de variação da tem peratura no resfriamento supera a da garrafa branca. Resposta: E 2. (UFG-GO-MODELO ENEM) Estufas rurais são áreas limitadas de plantação cobertas por lonas plásticas transparentes que fazem, entre outras coisas, com que a temperatura interna seja superior à externa. Isso se dá por que: a) o ar aquecido junto à lona desce por convecção até as plantas. b) as lonas são mais transparentes às radiações da luz visível que às radiações infravermelhas. c) um fluxo líquido contínuo de energia se estabelece de fora para dentro da estufa. d) a expansão do ar expulsa o ar frio para fora da estufa. e) o ar retido na estufa atua como um bom condutor de calor, aquecendo o solo. RESOLUÇÃO: A lona plástica é transparente à luz visível e pouco trans parente ao infravermelho. Assim, as ondas de calor (infra vermelho) ficam retidas no interior, aquecendo o ambiente das plantas. Resposta: B

17 SEÇÃO ENEM FIQUE LIGADO MOÇADINHA Questão 01 - (UFSCar SP/2016) Um recipiente cilíndrico de vidro tem área da base relativamente pequena se comparada com sua altura. Ele contém água à temperatura ambiente até quase a sua borda. A seguir, ele é colocado sobre a chama de um fogão, como ilustra a figura. A transmissão do calor através das moléculas da água durante seu aquecimento ocorre apenas por: a) condução. b) convecção. c) irradiação. d) condução e convecção. e) convecção e irradiação. Questão 02 - (UNICAMP SP/2016) Um isolamento térmico eficiente é um constante desafio a ser superado para que o homem possa viver em condições extremas de temperatura. Para isso, o entendimento completo dos mecanismos de troca de calor é imprescindível. Em cada uma das situações descritas a seguir, você deve reconhecer o processo de troca de calor envolvido. I. As prateleiras de uma geladeira doméstica são grades vazadas, para facilitar fluxo de energia térmica até o congelador por [...] II. O único processo de troca de calor que pode ocorrer no vácuo é por [...]. III. Em uma garrafa térmica, é mantido vácuo entre as paredes duplas de vidro para evitar que o calor saia ou entre por [...].

18 Na ordem, os processos de troca de calor utilizados para preencher as lacunas corretamente são: a) condução, convecção e radiação. b) condução, radiação e convecção. c) convecção, condução e radiação. d) convecção, radiação e condução. Questão 03 - (ENEM/2015) Uma garrafa térmica tem como função evitar a troca de calor entre o líquido nela contido e o ambiente, mantendo a temperatura de seu conteúdo constante. Uma forma de orientar os consumidores na compra de uma garrafa térmica seria criar um selo de qualidade, como se faz atualmente para informar o consumo de energia de eletrodomésticos. O selo identificaria cinco categorias e informaria a variação de temperatura do conteúdo da garrafa, depois de decorridas seis horas de seu fechamento, por meio de uma porcentagem do valor inicial da temperatura de equilíbrio do líquido na garrafa. O quadro apresenta as categorias e os intervalos de variação percentual da temperatura. Para atribuir uma categoria a um modelo de garrafa térmica, são preparadas e misturadas, em uma garrafa, duas amostras de água, uma a 10 ºC e outra a 40 ºC, na proporção de um terço de água fria para dois terços de água quente. A garrafa é fechada. Seis horas depois, abre-se a garrafa e mede-se a temperatura da água, obtendo-se 16 ºC. Qual selo deveria ser posto na garrafa térmica testada? a) A b) B c) C d) D e) E Questão 04 - (ENEM/2013) Em um experimento, foram utilizadas duas garrafas PET, uma pintada de branco e a outra de preto, acopladas cada uma a um termômetro. No ponto médio da distância entre as garrafas, foi mantida acesa, durante alguns minutos, uma lâmpada incandescente. Em seguida, a lâmpada foi desligada. Durante o experimento, foram monitoradas as temperaturas das garrafas: a) enquanto a lâmpada permaneceu acesa e b) após a lâmpada ser desligada e atingirem equilíbrio térmico com o ambiente.

19 A taxa de variação da temperatura da garrafa preta, em comparação à da branca, durante todo experimento, foi a) igual no aquecimento e igual no resfriamento b) maior no aquecimento e igual no resfriamento. c) menor no aquecimento e igual no resfriamento. d) maior no aquecimento e menor no resfriamento. e) maior no aquecimento e maior no resfriamento. Questão 05 - (ENEM/2010) Em nosso cotidiano, utilizamos as palavras calor e temperatura de forma diferente de como elas são usadas no meio científico. Na linguagem corrente, calor é identificado como algo quente e temperatura mede a quantidade de calor de um corpo. Esses significados, no entanto, não conseguem explicar diversas situações que podem ser verificadas na prática. Do ponto de vista científico, que situação prática mostra a limitação dos conceitos corriqueiros de calor e temperatura? a) A temperatura da água pode ficar constante durante o tempo em que estiver fervendo. b) Uma mãe coloca a mão na água da banheira do bebê para verificar a temperatura da água. c) A chama de um fogão pode ser usada para aumentar a temperatura da água em uma panela. d) A água quente que está em uma caneca é passada para outra caneca a fim de diminuir sua temperatura. e) Um forno pode fornecer calor para uma vasilha de água que está em seu interior com menor temperatura do que a dele. GABARITO: 01. B D D E A