FÍSICA. Manual do professor FÍSICA TERMOLOGIA ÓP TICA ONDUL ATÓRIA ENSINO MÉDIO. componente curricular:

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1 FÍSICA TERMOLOGIA ÓP TICA ONDUL ATÓRIA 2 ENSINO MÉDIO Manual do professor BONJORNO CLINTON EDUARDO PRADO CASEMIRO componente curricular: FÍSICA

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3 FÍSICA TERMOLOGIA ÓPTICA ONDULATÓRIA JOSÉ ROBERTO BONJORNO Bacharel e licenciado em Física pela Pontifícia Universidade Católica de São Paulo (PUC-SP). Professor de Matemática e Física. REGINA DE FÁTIMA SOUZA AZENHA BONJORNO Bacharel e licenciada em Física pela Pontifícia Universidade Católica de São Paulo (PUC-SP). Professora de Matemática e Física. VALTER BONJORNO Engenheiro naval pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (USP). Professor de Matemática e Física. 2ENSINO MÉDIO CLINTON MARCICO RAMOS Bacharel e licenciado em Física pela Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Mogi das Cruzes (UMC-SP). Professor de Física. EDUARDO DE PINHO PRADO Licenciado em Matemática pelo Centro Universitário Nove de Julho (Uninove-SP). Professor de Física e Matemática atuando há 25 anos no Ensino Médio e em cursos pré-vestibulares. RENATO CASEMIRO Mestre em História da Ciência pela Pontifícia Universidade Católica de São Paulo (PUC-SP). Bacharel e licenciado em Física pela Pontifícia Universidade Católica de São Paulo (PUC-SP). Professor de Física em colégios particulares de São Paulo. MANUAL DO PROFESSOR 2 a edição - São Paulo, 2013 componente curricular: FÍSICA

4 Física Termologia, Óptica, Ondulatória Copyright José Roberto Bonjorno, Regina de Fátima Souza Azenha Bonjorno, Valter Bonjorno, Clinton Marcico Ramos, Eduardo de Pinho Prado, Renato Casemiro, 2013 Todos os direitos reservados à EDITORA FTD S.A. Matriz: Rua Rui Barbosa, 156 Bela Vista São Paulo SP CEP Tel.: (0xx11) Caixa Postal CEP da Caixa Postal Internet: Diretora editorial Silmara Sapiense Vespasiano Editora Juliane Matsubara Barroso Editora adjunta Flávia Renata P. Almeida Fugita Editoras assistentes Alice Kobayashi Valéria Rosa Martins Yara Valeri Navas Assessoria Técnica Pedagógica Ivan Moneda Alberto Patrícia Takahashi Lopes Assistentes de produção Ana Paula Iazzetto Lilia Pires Assistente editorial Gislene Aparecida Benedito Supervisora de preparação e revisão Sandra Lia Farah Preparador de texto Pedro Augusto Baraldi Revisores Carina de Luca Daniella Haidar Pacifico Desirée Araújo S. Aguiar Francisca M. Lourenço Giseli Aparecida Gobbo Júlia Siqueira e Mello Juliana Cristine Folli Simões Juliana Rochetto Costa Lilian Vismari Carvalho Maiara Andréa Alves Pedro Henrique Fandi Coordenador de produção editorial Caio Leandro Rios Editor de arte Fabiano dos Santos Mariano Projeto gráfico e capa Fabiano dos Santos Mariano Fotos da capa: Pkruger/Shutterstock/Glow Images e nex999/shutterstock/glow Images Iconografia Supervisora Célia Rosa Pesquisadores Carlos Luvizari Graciela Naliati Editoração eletrônica Diagramação Setup Bureau Editoração Eletrônica Tratamento de imagens Ana Isabela Pithan Maraschin Eziquiel Racheti Oseias Dias Sanches Vânia Aparecida Maia de Oliveira Gerente executivo do parque gráfico Reginaldo Soares Damasceno Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Física : termologia, óptica, ondulatória, 2 o ano ed. -- São Paulo : FTD, Vários autores. Componente curricular: Física ISBN (aluno) ISBN (professor) 1. Física (Ensino médio) I. Título CDD Índices para catálogo sistemático: 1. Física : Ensino médio

5 Apresentação A Física é a área da Ciência que investiga o Universo. Os cientistas, em conjunto, buscam compreendê-lo e, para isso, utilizam formulação de hipóteses e atividades experimentais. A Física, associada a outras áreas e disciplinas, tem uma importância fundamental no desenvolvimento tecnológico, que proporciona, principalmente a nós, seres humanos, conforto, praticidade e qualidade de vida. O estudo da Física se faz presente na última etapa do ensino básico, o Ensino Médio, que prioriza a formação ética e o desenvolvimento da autonomia intelectual. Por esse motivo, a Física não deve apresentar-se de forma descontextualizada do mundo, fornecendo somente ideias irrevogáveis, como produtos acabados. Hoje, o grande desafio é que a atividade científica seja vista como essencialmente humana, com seus erros e acertos, defeitos e virtudes. Para que essa nova concepção do ensino de Física seja possível, apresentamos os conceitos físicos na sua linguagem própria, que dialoga com a Matemática, mas também de forma indissociada da História, da Química, da Biologia e aproximada do cotidiano. Esperamos, portanto, que esta coleção seja mais um instrumento de apoio e incentivo para o difícil e instigante desafio de compreender a natureza. Os Autores

6 Estrutura da obra I Termologia UNIDADE Capítulo 1 - Termometria Capítulo 2 - Calorimetria Capítulo 3 - Mudanças de fase Capítulo 4 - Transmissão de calor Capítulo 5 - Dilatação térmica Na imagem vemos a Cratera de Barringer ou Cratera do Meteoro, localizada numa região próxima da cidade de Winslow, EUA. O impacto causado pela queda de um meteorito nesse local provocou elevado aquecimento e fundiu as rochas no solo, levando à formação dessa grande cratera. Estima-se que ela tenha sido formada há mais de 50 mil anos. Yuri Arcurs/Shutterstock/Glow Images Nesta unidade apresentaremos os conceitos relativos à Termologia, como temperatura, calor e sua transmissão, além das mudanças de estado da matéria. São temas presentes no nosso cotidiano, como quando observamos o gelo derreter, a água ferver ou também quando, por hábito, dizemos que calor ou está frio hoje. Relacionamos a ideia de calor à de temperatura, mas sabe qual é a diferença entre esses conceitos? Johannes Eisele/AFP/Getty Images A FÍSICA AO NOSSO REDOR CA P Um ourives precisa fundir o ouro com outros metais, como prata e cobre, para confeccionar joias. CAPÍTULO ÍT Bloco temático que agrupa capítulos que tratam do mesmo assunto. As aberturas das unidades chamam a atenção para os fenômenos naturais e para as tecnologias desenvolvidas que estão relacionadas aos conteúdos que serão estudados em cada unidade. Para tanto, são usados textos, imagens e exercícios com informações relevantes. A geada pode causar a destruição da vegetação ou de parte dela. ATIVIDADES RESOLVIDAS Exemplos de exercícios resolvidos em que se podem elucidar os detalhes da explicação teórica. U LO 5 Dilatação térmica Até aqui vimo s que ao forne cer calor a um Agora veremos determinado corpo que o fornecimen ele tem sua temp to de calor tamb dilatação térmi eratura aumentada ém provoca variaç ca.. ão nas dimensões desse corpo éa Unidade temática que trata dos assuntos a serem desenvolvidos. Os capítulos agrupam os temas correlatos que são pontuados de forma sequencial e progressiva. Teoria e atividades diversificadas compõem as seguintes seções: sólidos OLV IDA S ATIV IDA DES RES gerada por representa a onda 1 A figura ao lado Determine: to de onda ( ); a) o comprimen (A); b) a amplitude onda (v). da de propagação c) a velocidade Images Spencer Grant/Ph A estrutura desse viaduto está compro metida. Observe as junções das partes de um é chamado junta viaduto. O espaço de dilatação. entre elas Images Photodisc/Getty Cabos elétricos suspensos com uma ente ao longo de se deslocar livrem Na figura, a cur1 Uma boia pode no fundo do mar. haste vertical fixada te t 0 s, e a uma onda no instan 0,2 s. va cheia representa no instante t onda, a mesm a curva tracejada, oscila. dessa onda, a boia Com a passagem folga. UNIDADE I TERMO LOGIA são na fusão-solidifi Chama a atenção para questões sobre os temas tratados, explorando aspectos conceituais ou quantitativos. cação A FAÇ PENSE E RESPONDA Haste 0,6 m 1 Temperatura 0 fusão 1 2 Temperatura ( ) Substâncias que diminuem de volume processo de fusão. ao passar pelo Corel Stock Photo 2 ( ) Substâncias que aumentam de volume processo de fusão. ao passar pelo O patinador na pista de gelo, ao deslizar, faz o gelo derreter pela forte pressão das lâminas, deixando sulcos na pista, que logo desaparecem em consequente solidific função da ação (regelo). 34 UNIDADE I TERMO LOGIA t (s) 4? gação das ondas dade de propa a) Qual a veloci da boia é nula? te(s) a velocidade b) Em que instan ONDAS CAPÍTULO Eduardo Santalies solidificação p1 p2 Gráficos: Editoria 0 Pressão (p) fusão ide mesmo compr de um violão são pos3 As seis cordas a tração, mas madamente mesm gam mento e aproxi ondas se propa diferentes. As s? suem espessuras ou nas mais grossa cordas mais finas mais rápido nas funem y, vertical enta a coordenada l4 O gráfico repres que se move vertica t, de uma boia zidas ondas em ção do tempo produ são a onde mente numa piscin de 1,2 m. a uma distância vales sucessivos ATIVIDADES PROPOSTAS de Arte/Setup solidificação p2 C A D ER tra Quando se põe uma garrafa PET totalmente cheia de água em um congelador, após algumas horas ela ficará estufada ou poderá até mesmo romper. Explique por quê. x (cm) N O CA As substância s que aumentam aumento de press de volume duran ão, fundem e te o processo solidificam a de fusão-solid durante a fusão temperaturas ificação, ao sofrer -solidificação, mais altas. Já em como o gelo, dificação dimin as que dimin sob pressões uídos. uem de volum mais elevadas, e têm seus ponto Os gráficos a s de fusão-soliseguir mostram como ocorre cação em cada a influência da tipo de substância pressão sobre. o ponto de fusão Pressão (p) -solidifi- p1 5 RNO PENSE E RESPONDA 4 3 DE Pelo que vimo s até o momento a fusão de qualq durante uer substância, com o calor absorvido as partículas aume ntam a energia cinética, ocupando um espaço maior estado líquid no o do que no estado sólido, seja, aumenta ou o seu volum e e se expande. No entanto, algumas subst âncias se comportam de mane ira exatament e oposta. É o caso da água, do bismuto, do ferro e do timônio. O comp anortamento difere substâncias revel nte dessas a algo sobre a configuração espacial de suas moléculas. No lido suas partíc estado sóulas se organ izam de modo que o retículo cristalino ocup a mais espaç do que duran o te a fusão. Dess a forma, enquanto ocorr e a fusão, suas moléculas ficam mais próximas umas das outra s, ocupando um espaço meno r, resultando num volume final menor do que quando estavam no estado sólido. 2 y (cm) Boia ão determine: Para essa situaç dade da onda; possível da veloci a) o menor valor oscilação da boia. b) o período de de uma onda rimento de onda comp o a rmos 2 Se dobra que acontece com inada corda, o em uma determ onda? a frequência f da velocidade v e Influência da pres 1 POSTAS ATIV IDA DES PRO Ilustrações: Editoriap de Arte/Setu 62 ão é de rpm. frequência de vibraç y (mm) NO Os cabos de uma rede elétrica aérea apresentam folgas entre os postes ou torres para evitar uma tração excessiva ao se contr aírem quando a temperatura cai, podendo causar ruptura dos fios e interrupção no fornecimento de energia. Obse rve, na figura, a barriga forma da pelos cabo s entre uma torre e outra. um motor cuja to, 2 cm. a cada 2 cm. Portan é A 4 mm. Resolução: a repetição se inicia to, a amplitude observa-se que de y é 4 mm. Portan a) Do gráfico, o máximo valor observa-se que b) Do gráfico, rpm éf c) A frequência 3600 f 60 Hz f 60 cm/s de 88 a 60 Æ v 120 khz e, em FM, Æ v f 2 alo de 550 a 1550 menor e o imadamente, o AM, cobre o8 interv Quais são, aprox modalidades: em opera em duas é de 3 10 m/s. or recept eletromagnéticas por esse rádio? 2 Um rádio dade das ondas os 108 MHz. A veloci de onda que podem ser captad tos onda maior comprimen comprimento de frequência e o maior ponde à maior Resolução: to de onda corres menor comprimen Como v f, o menor frequência. 106 Hz) corresponde à onda (f 108 de to rimen 6 Æ 2,8 m menor comp Hz) v f Æ 3 10 (f rimento de onda 3 maior comp 8 Æ 545 m v f Æ 3 10 otolibrary/getty Moacyr Lopes Júnior/Folhapress 1. Dilatação dos Você já reparou que nas const ruções de edifíc vão, a junta de ios, ou mesmo dilatação, preen nas calçadas, chido ou não trilhos de trens há sempre um por algum mater ou percebeu que pequeno ial diferente? os fios de eletri uma certa folga, Já reparou nas cidade nos poste ou seja, nunc juntas dos a totalmente estica s das ruas semp A variação de re são instalados dos? temperatura é com a responsável Com exceção pela alteração do comportam das dimensões dos ento anômalo nio, já discutido corpos. da água entre 0 no capítulo 3, C e 4 C e do bismu de modo geral de suas moléc a elevação da to, do ferro e do ulas, o que faz temperatura de antimôaumentar a distân um corpo provo Nas estruturas cia média entre ca maior agitaç de concreto são elas, causando ão concreto se expan aumento no volum projetadas e const e do corpo. da e se contraia ruídas as junta s de dilatação. mais livremente assim, a possi bilidade de forma Isso permite que em razão das variações de temp ção de rachaduras o eratura, reduz. indo, Ilustrações: Editoriap de Arte/Setu E A FA Ç N O AD AP/Glow Images UN I D Trata-se de um conjunto de exercícios propostos para que seja testado o conhecimento dos temas estudados em cada seção de forma gradual, com o objetivo de fazer conexões e articular temas já trabalhados em outros capítulos.

7 ÍCONES DE MATERIAL DIGITAL COMPLEMENTAR Os ícones abaixo indicam pontos onde você encontra material complementar no livro digital. Clique em cada um deles para ter acesso. e Sol ar que Terra, Lua É importante destac que a Lua o plano. A órbita não estão no mesm no mesmo da Terra não está realiza ao redor a ao redor do que a Terra realiz plano da órbita figura ao lado. Sol. Observe a redor da Lua descreve ao A órbita que a relação ao ada em 5,2º em do Sol. Terra está inclin descreve ao redor plano que a Terra quando Sol, Terra erá ocorr só O eclipse solar s (observe na linha dos nodo e Lua estiverem ecção dos que é uma inters lado) ao a figura da Terra e da da Lua ao redor planos da órbita n nova Sol nova nova cheia cheia Latinstoc Weda/epa/Corbis/ k PENSANDO CIÊNCIA sombra observar um eclipse solar 134 tro Procedimento 1.a parte Um dos integr antes do grupo deve pegar a moed tes ficam ao redor a e colocá-la de modo que na xícara. Os vejam somente berta pela borda demais integr um pedacinho da xícara. O integr anda moeda, quase na xícara, para ante que pôs toda encoa moeda deve que a moeda não se mova. despejar lentam Enquanto isso, ente a água os demais obser vam. Luvizari CIÊNCIA Os perigos de natureza e é muito comum da Sol belo fenômeno ocorrer com o O eclipse é um ência. Ele pode varem sua ocorr as pessoas obser a uma das come solar deve-se e com a Lua. observar o eclips ioleta. Como duem ultrav ema ão probl O a radiaç do olho eletromagnética visível, a pupila ponentes da onda ão exposto à luz e solar você fica proteção, a radiaç rante um eclips pode entrar. Sem à retina e podendo isso mais luz causando danos se dilata e com está sendo Eclipse do Sol, que m entra no olho, ultravioleta també como encoberto pela Lua. solar, e ira. eclips ção de um ocasionar a cegue por exemapenas a proje var água, ópios ou binóna obser é ou e, O ideal s de lunetas, telesc e solar nunca em uma pared os nem atravé Sol projetada eclips escur do s o m isso, óculo image a. Por e com ve esse eclips proteger sua visão plo. Nunca obser são capazes de. amentos não sem problemas culos. Esses equip a olho nu. ser observado vado e, portanto, pode deve ser obser riscos à saúde não apresenta Já o eclipse lunar ger os olhos. prote sário Não é neces O Refração e diop plano Você chega à praia e corre para entrar no dentro da água mar. Olhando parece que ela para a parte do está mais perto servar uma piscin seu corpo que da superfície, a, ela sempre está embora você parece mais rasa rasa quanto parec saiba que não. basta entrar ia. Como você Ao obpara constatar explica esses que acontece. que ela não é fatos? Registre tão suas hipóteses sobre o que você Um simples exper acha imento nos perm ite compreend er melhor esse Material tema. 1 jarra com água 1 xícara ou caneca 2 moedas 1 copo transp arente de vidro liso Fotos: Carlos PEN SANDO escurecida a Lua parcialmente Eclipse da Lua. Observe de sombra da Terra. sa o cone enquanto atraves EXPERIMENT SPL/Getty Images Babek Tafreshi/S pela Terra e a são interceptados endoos raios solares da sombra, escurec No eclipse lunar, permanece na região superfície lunar. -se no céu noturno Professor, a descrição mais detalhada de cada ícone encontra-se nas Orientações do livro digital para o professor. Seção que aborda elementos do cotidiano em que a Física se faz presente. Terra Lua Imagens enriquecidas e ficam alinhados, Terra, Lua e Sol acima é a região só ocorre quando (na representação O eclipse solar no mesmo plano desse modo estão dos nodos). nomeada por linha um eclipse Ilustrações: Editoria Sol Texto cheia de Arte/Setup penumbra Objetos educacionais nova no linha dos nodos ocorrer Só é possível sombra da Terra. do Sol. Terra ao redor a Lua entra na ocorre quando na fase nova. Já o eclipse lunar fase cheia ou a Lua estiver na lunar quando A representação está fora de proporção. Vídeo/áudio cheia A representação está fora de proporção. ÓPTICA UNIDADE III 2.a parte 122 TERMO DINÂMI UNIDADE II 180 Paulo Cesar UNIDADE III ÓPTICA Foto: Bettmann /Corbis/Latinstock EXPERIMENTO Seção de atividades experimentais na qual você poderá comprovar, individualmente ou em grupo, conceitos trabalhados ao longo dos capítulos. SSPL/Getty Images Coleção particular. lvimento e a possibilitam o desenvo imagens do oados por Watt as Os estudos aperfeiç a vapor, como ilustram ), e do navio. escala dos motores anterior trator (na página expansão em larga A FA Ç N O Corel Stock Photo A D ER Façam um relató rio em grupo que apresente as quest 1) Nas duas situaç ões a seguir com ões, o que foi suas respectivas observado? respostas. 2) Como vocês explicam essas observações? 3) Para os dois casos, façam um desen olhos de quem ho representa ndo o caminho observa. da luz entre a moeda e os C A D ER NO vapor, s máquinas a s em filmes antigo trafegam comum vermo s que ainda hoje plo, os trens antigo como, por exem es do Brasil. deste capítulo, em diversas cidad longo ao ber perce cotidiano Como você pôde ntes no nosso vapor estão prese m em usinas as máquinas a radores e també carros, refrige ia elétrica. em motores de geração de energ foe nucleares, na s por carvão termelétricas otivas alimentada e locom e iras séculos XVIII Calde ao longo dos responsáveis, As primeies ção. grand ram de produ ormação no modo no século XVII, erra, XIX, pela transf Inglat am na Revolução a vapor surgir eria a primeira ras máquinas Trator a vapor de ocorr te século, seguin a inundalocal onde, no inas a vapor era ento das máqu heiro miliindustrial. o desenvolvim -1715), engen o que envolve as Savery (1650 isso, construiu O problema prátic Em 1698, Thom problema. Para esse o na Inglaterra. er carvã resolv de de das minas. ção de minas a vapor capaz bombear a água uma máquina tou para y, mas inven, vapor Saver tar inglês a pressão de máquina de aperfeiçoou a to que utilizava um equipamen as Newcomen em 1705, Thom ustível. trial Anos mais tarde, el o uso indus consumo de comb ) tornou possív problema: o alto Watt ( que para tornar ainda havia um beu James ês perce. Watt depois o escoc o colocar de Newcomen Somente anos do a máquina ustível) era precis o gasto de comb vapor, aperfeiçoan ina de Watt, da máquina a nte (diminuindo assim a máqu eficie zindo mais produ, a vapor motor mica do país, essa máquina a separado do o social e econô r na parte extern ia configuraçã ções, como o um condensado térmicas e a própr teve outras aplica moiu as máquinas dessas máquinas a eficiência de que revoluciono funcionamento, e aumentou o princípio de s e locomotivas navio uma vez que de ento ltura, no movim emeruso na agricu Inglaterra viu a antil, as. a feudal-merc nhos de trigo. máquinas divers a e no sistem ndo agrári mia utiliza, econo ção. em grande escala Antes, com uma avanço da produ com produção mental para o mia industrial, ão clara de Watt foi funda gir uma econo uma compreens com a máquina stas tivessem e traa economia obtida o entre calor sem que os cienti s. toda aconteceu reensão da relaçã ção perda comp sem revolu pela r Essa responsáveis térmica opera calor. Um dos uma máquina ser impossível da natureza do t, que demonstrou balho foi Carno Litografia. É ária A revolucion por máquina a va OC NO onta A HistóriaC Agora responda as mais inverso seriam m no seu ciclo lógica, mas operar també ção não é tecno conseguissem da de que a limita térmicas que el, as duas leis e está no fato As máquinas isso fosse possív tância dessa anális gases. Para que eficientes. A impor natureza dos ão da própria u com morre restriç ot uma é (Carn violadas. precoce deste deveriam ser (100%) seria após a morte t o Termodinâmica Carno máxim de a fosse ou os trabalhos máquina térmic uto), fato que Clausius retom ento de uma kelvin (zero absol. Para que o rendim a essa tempeatingisse o zero apenas 36 anos) r um sistema da fonte fria ões para resfria a temperatura permanecenecessário que a de transformaç ia do sistema ideal a entrop quantidade infinit 2a. lei da essa máquina consumiria uma que violaria a variaria, fato mostrou que para não disso, seja, ou Além. ratura processo, ço e no fim do Industrial, ução ria igual no come Revol ra vivemos a tercei et. As mudanças afirmam que Termodinâmica. intern res a isado como s pesqu que ão e informação, ias negativas, Atualmente, muito de comunicaç m há consequênc novas tecnologias os, mas també ho. pautada pelas diversos avanç ções de trabal proporcionam foram as condi na sociedade ução Industrial na segunda Revol na primeira e FA Ç A N Um dos integr antes põe a outra moeda dentro copo e despe do ja água até o nível de aprox mente 2 dedo imadas do fundo. Obse rve a superfície água vista pela da lateral do copo. O que vocês veem? ND A pelo A GO RA RE SPO movidos a vapor. Faça uma lista comcidade s s brasileiras que m trens orte nas ainda hoje possue utilidades desse meio de transp ais as princip 1 Pesquise as cidade com os colegas delas. Discuta a das máquinas o da utilização m o maior prejuíz benefício e també qual foi o maior utilicombustível é vez que o seu vapor em larga os princisobre na a vapor, uma grupo máqui em uma isa s funcionam como a. Faça uma pesqu s favoráveis e desfavorávei energia elétric 3 Usinas termelétricas s os ponto as turbinas e gerar nte aos colega zado para mover usinas e aprese usados nessas pais combustíveis em cada caso. menos três citadas. 2 Em sua opinião,escala? DINÂMI LEIS DA TERMO CAPÍTULO 7 CA 123 CA SAIBA MAIS SOB RE Res sonância mag A Física tem nética papel importante em várias áreas científico-tecnol, e a Medicina ógicos, há na Medicina uma é uma delas. imagem, que Com os avanç ampla gama vão além das os de equipamen imagens gerad exemplo, têm tos de diagnóstico as por raios X sua origem em ou ultrassonog por detec tores ca nuclear são rafia. Os tomó de partículas, provenientes grafos, por e os equipamen de pesquisa em tos de ressonânci como as image Física atômica ns são geradas, a magnétie da invenção é preciso, prime do radar. Vimos que a resson iramente, comp Para entender ância é um proce reender o conce ferência de energ ito de ressonânci sso de transia entre uma fonte a. ceptor. Essa transf e um sistema reerência de energ ia é máxima quand a fonte emite ondas o numa das frequê oscilação do recep ncias naturais de tor. Em outras palavras, cham de ressonância amos esse estado espec ial de vibração corpo que result de um a em um aume nto de sua ampli Como todos os tude. corpos macro scópicos são por átomos micro formados scópicos, é possív seus estados de el encontrarm os ressonância, ou melhor, suas frequê cias de vibraç ão naturais. Essa nmesma aplica bém pode ser ção tamfeita em outras áreas, como na das cordas de afinação instrumentos music ais. Uma pessoa que passa por um Exame de ressonâ exame de resson região de intens ncia magnética. ância magnética o campo magn ético, que pode nuclear vai ficar magnético terres variar de 0,2 a imersa em uma tre varia entre 3,0 T (tesla) 0,00003 e 0,000 campo magnético a intensidade 06 T. Esse camp do campo produzido pelo o vai interagir movimento de consequentemen diretamente com cada átomo de te, vai fazer os o hidrogênio do átomos vibrar externo. Dessa corpo do pacie em em resson interação, os próto nte e, ância e na mesm ns emitirão uma do aparelho e a frequência do radiação eletro conjugada em campo magnética, capta uma imagem imagem obtid por da computador. O pelos sensores a e pode diagn médico avalia osticar com mais, então eficiê, a qualid ncia a saúde da Agora responda ade da pessoa. A HISTÓRIA CONTA Ria Novosti/S PL/Latinstock Texto no final de cada unidade que aborda um pouco da História da Ciência por meio da história dos cientistas ou da evolução de conceitos da Física. SAIBA MAIS SOBRE Textos que abordam assuntos sobre aplicações tecnológicas, atualidades e curiosidades da Física ou de outras áreas, em contextos específicos. CADE NO FA Ç A N R O 1 Identifique a fonte, o sistem a receptor e a energi 2 Quantas vezes a em um exame o limite superior de ressonância do campo magné magnética nuclea supera o limite tico de um equipa superior do campo r. mento de resson magnético terrest 3 Tanto no proced ância magnética re? imento de raio nuclear X como no de resson rado o maior tempo ância possível. Por que isso é importante? magnética nuclear pede-se ao paciente ficar pa- 240 UNIDADE IV ONDUL ATÓRIA F1 6m F2 Editoria de Arte/Setu P 8m p ATIV IDA DE RES OLV IDA Na figura, duas fontes, F e F, detectados no 2 em concordânc ponto P. 1 ia de fase emite m sinais que são Determine o maior valor do comp seja um ponto: rimento de onda das fontes para que o ponto P a) máximo de interferência; b) mínimo de interferência.

8 UNIDADE I Termologia...10 Capítulo 1: Termometria Temperatura...12 As partículas de um corpo...12 Pensando Ciência: A ideia de átomo evolui com o tempo Equilíbrio térmico Medida de temperatura Escalas termométricas...14 Saiba Mais Sobre: Nas palavras de Fahrenheit Escala Kelvin de temperatura...16 Zero absoluto ou zero kelvin Relação entre as escalas...17 Capítulo 2: Calorimetria Calor...20 Pensando Ciência: Lavoisier...20 Pensando Ciência: As calorias dos alimentos...22 Detalhes Sobre: O problema com o calor Calor sensível e calor latente Calor específico de uma substância...24 Capacidade térmica de um corpo...24 Saiba Mais Sobre: Capacidade calorífica Equação fundamental da calorimetria...25 Experimento: O mistério da praia Trocas de calor...28 Calorímetro...28 Capítulo 3: Mudanças de fase Fases da matéria Fusão e solidificação...33 Influência da pressão na fusão-solidificação Vaporização...36 Evaporação...36 Pensando Ciência: Evaporação...37 Ebulição...37 Saiba Mais Sobre: Tampe a panela...38 Sumário 4. Diagrama de fases...39 Pressão máxima de vapor...40 Calor latente de vaporização e de condensação...40 Saiba Mais Sobre: Temperatura e alguns fenômenos atmosféricos...41 Gás e vapor...42 Saiba Mais Sobre: O embaçamento de vidros e lentes Curvas de aquecimento e de resfriamento...45 Saiba Mais Sobre: Liofilização -desidratação dos alimentos...48 Capítulo 4: Transmissão de calor Tipos de transmissão de calor Transmissão por condução...49 Fluxo de calor através de um corpo...50 Pensando Ciência: Mergulho na piscina no inverno Transmissão por convecção...53 Saiba Mais Sobre: A inversão térmica Transmissão por irradiação...56 Experimento: Latas ao Sol...58 Saiba Mais Sobre: Antropologia, evolução e adaptação...60 Capítulo 5: Dilatação térmica Dilatação dos sólidos...62 Dilatação linear...63 Pensando Ciência: Força pra quê?...66 Dilatação superficial e volumétrica...66 Dilatação superficial...66 Dilatação volumétrica Dilatação dos líquidos...68 Dilatação da água...69 A História Conta O calor na Ciência...72 II Termodinâmica...74 UNIDADE Capítulo 6: Estudos dos gases Variáveis de estado Modelo atômico-molecular...76 Modelo de um gás...76 Gás ideal ou gás perfeito...77

9 Pensando Ciência: Necessidade de um gás ideal Transformação isotérmica Transformação isobárica Transformação isovolumétrica Equação geral do gás ideal Transformação adiabática...85 Saiba Mais Sobre: Da estratosfera ao solo em 16 minutos! A constante de Avogadro Equação de Clapeyron Teoria cinética dos gases...91 Interpretação molecular da pressão...92 Interpretação da temperatura do gás...93 Energia interna...93 Velocidade média das moléculas de um gás...93 Pensando Ciência: Aerossol...94 Capítulo 7: Leis da Termodinâmica Transformações reversíveis e irreversíveis Trabalho realizado numa transformação isobárica Trabalho calculado por área Trabalho nas transformações cíclicas Primeira lei da Termodinâmica Aplicação da primeira lei da Termodinâmica às tranformações gasosas Calor específico molar de uma gás Experimento: O balão de festa que infla sozinho Saiba Mais Sobre: Planeta sustentável Segunda lei da Termodinâmica Primeiro enunciado da segunda lei da Termodinâmica Segundo enunciado da segunda lei da Termodinâmica ou enunciado equivalente Ciclos Ciclo Otto ou ciclo de quatro tempos..110 Ciclo Diesel Rendimento de uma máquina térmica Refrigerador UNIDADE Eficiência de um refrigerador Saiba Mais Sobre: Ar-condicionado do automóvel Ciclo de Carnot Irreversibilidade degradação de energia entropia A História Conta A revolucionária máquina a vapor III Óptica Capítulo 8: Conceitos fundamentais de Óptica Afinal, o que é luz? Pensando Ciência: Visão e cegueira Fontes de luz Raio de luz Meios de propagação da luz Saiba Mais Sobre: Intensidade de iluminação Princípios da Óptica geométrica Princípio da propagação retilínea da luz Princípio da independência dos raios de luz Princípio da reversibilidade dos raios de luz Consequências dos princípios da Óptica geométrica Sombra e penumbra Eclipses do Sol e da Lua Pensando Ciência: Os perigos de observar um eclipse solar Saiba Mais Sobre: Sombras do tempo..135 Câmara escura de orifício Experimento: Faça sua câmara escura de orifício Fenômenos da Óptica geométrica A cor dos corpos Saiba Mais Sobre: Ilhas de calor Misturando luzes coloridas A cor do céu Pensando Ciência: O perigo das neblinas...144

10 Capítulo 9: Reflexão da luz Leis da reflexão Formação de imagens nos espelhos planos Pensando Ciência: Reconhecendo a imagem Pensando Ciência: A reflexão da luz e os filmes de terror Campo visual de um espelho plano Translação de um espelho plano Saiba Mais Sobre: O fantasma de Pepper Pensando Ciência: Ilusão de óptica na arte Associação de espelhos planos Experimento: A simetria dos espelhos planos Capítulo 10: Espelhos esféricos Pensando Ciência: A óptica na obra de M. C. Escher Elementos geométricos dos espelhos esféricos Condições de nitidez de Gauss Foco principal de um espelho esférico Raios luminosos particulares Pensando Ciência: Construindo um forno solar com espelhos Construção geométrica das imagens Formação da imagem no espelho côncavo Formação da imagem no espelho convexo Saiba Mais Sobre: Os espelhos de Arquimedes Pensando Ciência: Holofote Estudo analítico dos espelhos esféricos Equação de Gauss ou dos pontos conjugados Aumento linear transversal (A) Capítulo 11: Refração da luz O estudo da refração Índice de refração absoluto Leis da refração Pensando Ciência: A lei da refração Ângulo limite reflexão total Saiba Mais Sobre: O funcionamento da fibra óptica Fenômenos da refração Dioptro plano Experimento: Refração e dioptro plano Prismas Dispersão da luz Pensando Ciência: A cor das nuvens Saiba Mais Sobre: O brilho do diamante Refração da luz na atmosfera Pensando Ciência: Miragem Capítulo 12: Lentes esféricas Elementos geométricos Classificação das lentes Pensando Ciência: Fabricando lentes Focos principais de uma lente esférica Raios luminosos particulares Construção geométrica de imagens Pensando Ciência: A câmara escura de Vermeer Estudo analítico das lentes esféricas Convenção de sinais Equações Pensando Ciência: Aberrações das lentes Vergência das lentes esféricas Saiba Mais Sobre: Lentes de contato Capítulo 13: Instrumentos ópticos Instrumentos de projeção Máquina fotográfica Projetores de filmes e de slides Pensando Ciência: Projetando imagens Instrumentos de observação Lupa ou lente de aumento Microscópio composto Luneta astronômica Luneta de Galileu Telescópio refletor Pensando Ciência: O cuidado com a tradução...205

11 UNIDADE 3. O olho humano Pensando Ciência: Ponto cego Saiba Mais Sobre: A visão das cores Acomodação e adaptação visual Saiba Mais Sobre: Identificação pela íris Defeitos da visão Miopia Hipermetropia Presbiopia ou vista cansada Astigmatismo Estrabismo Pensando Ciência: Outros defeitos da visão A História Conta Os fundamentos da óptica geométrica de Johannes Kepler IV Ondulatória Capítulo 14: Ondas Pensando Ciência: O trafego aéreo e a rádio pirata Movimentos periódicos período e frequência Pulsos e ondas Classissicação das ondas Quanto à natureza Quanto à direção de propagação Quanto à direção de vibração Velocidade de propagação de uma onda Ondas periódicas Ondas eletromagnéticas Saiba Mais Sobre: A radiação ultravioleta Reflexão de um pulso Refração de um pulso Interferência de onda numa corda Onda estacionária Capítulo 15: Fenômenos ondulatórios Frente de onda Princípio de Huygens Reflexão de ondas Refração de ondas Pensando Ciência: Ondas marítimas Difração Polarização Interferência de ondas bidimensionais Ressonância Pensando Ciência: As ondas das rádios Saiba Mais Sobre: Ressonância magnética Capítulo 16: Acústica Produção do som Propagação do som Qualidades do som Altura ou tom Intensidade Timbre Escala musical Saiba Mais Sobre: A audição humana Pensando Ciência: Deficiência auditiva no Brasil Sons fundamentais em cordas Cordas vibrantes Saiba Mais Sobre: Entendendo a física do violão Tubos sonoros Tubo aberto Tubo fechado Fenômenos sonoros Ressonância Pensando Ciência: Afinando um instrumento musical Efeito doppler Saiba Mais Sobre: Efeito doppler e o Universo em expansão Experimento: Calculando a velocidade do som no ar A História Conta - As ondas através da água Referências Respostas Sugestões de leitura Sugestões de passeios Sugestões de sites Siglas

12 AD E I Termologia AP/Glow Images UN I D A FÍSICA AO NOSSO REDOR Nesta unidade apresentaremos os conceitos relativos à Termologia, como temperatura, calor e sua transmissão, além das mudanças de estado da matéria. São temas presentes no nosso cotidiano, como quando observamos o gelo derreter, a água ferver ou também quando, por hábito, dizemos que calor ou está frio hoje. Relacionamos a ideia de calor à de temperatura, mas sabe qual é a diferença entre esses conceitos?

13 Capítulo 1 - Termometria Capítulo 2 - Calorimetria Capítulo 3 - Mudanças de fase Capítulo 4 - Transmissão de calor Capítulo 5 - Dilatação térmica Yuri Arcurs/Shutterstock/Glow Images Johannes Eisele/AFP/Getty Images Na imagem vemos a Cratera de Barringer ou Cratera do Meteoro, localizada numa região próxima da cidade de Winslow, EUA. O impacto causado pela queda de um meteorito nesse local provocou elevado aquecimento e fundiu as rochas no solo, levando à formação dessa grande cratera. Estima-se que ela tenha sido formada há mais de 50 mil anos. Um ourives precisa fundir o ouro com outros metais, como prata e cobre, para confeccionar joias. A geada pode causar a destruição da vegetação ou de parte dela.

14 CTermometria 1 APÍTULO 1. Temperatura O quente, o frio, o morno e o gelado expressam sensações térmicas. Pelo tato, por exemplo, sensores térmicos de nossa pele são adequados apenas para perceber as variações térmicas. Quando um adulto encosta a mão no rosto de uma criança para saber se ela está com febre, apenas consegue perceber se o corpo dela está ou não mais quente que o normal. Se estiver, não sabe avaliar quanto. Para que fosse possível medir temperaturas, tornou-se necessário estabelecer uma grandeza que informasse o estado térmico dos corpos. As partículas de um corpo O grego Demócrito, que viveu entre 460 a.c. e 370 a.c., foi o primeiro a expor a teoria de que todos os corpos são formados por partículas, que ele chamou de átomos. No entanto, somente com experimentos realizados por cientistas a partir do século XIX foi possível constatar que os corpos são formados por partículas em constante agitação. CIÊNCIA PENSANDO A ideia de átomo evolui com o tempo O átomo de Demócrito no século IV a.c.; o de Pierre Gassendi ( ) e Robert Boyle ( ) no século XVII; o de John Dalton ( ), Joseph-Louis Gay-Lussac ( ) e Amedeo Avogadro ( ) no século XIX; e o de J. J. Thomson ( ), Ernest Rutherford ( ) e Niels Bohr ( ) no século XX são muito diferentes entre si, apesar de todos esses pesquisadores terem defendido a ideia de que a matéria é constituída de pequenas partículas. O termo átomo significa sem divisão. Para Demócrito, o átomo era o constituinte da matéria e só poderia ser concebido pela razão. Para Gassendi e Boyle, o átomo ainda era indivisível, mas se tratava de um componente real da matéria. Dalton, Gay-Lussac e Avogadro procuraram medir sua massa e volume, inaugurando um atomismo científico. No século XIX, com os experimentos de descargas elétricas em gases rarefeitos, o átomo deixou de ser indivisível e, no século seguinte, havia pelo menos três modelos que estruturavam o átomo já com divisões. Atualmente, o campo da Física que estuda as divisões atômicas e seus componentes é a Física de partículas. O grande acelerador de partículas LHC (sigla em inglês para Grande Colisor de Hadróns, que funciona num túnel subterrâneo na fronteira entre a França e a Suíça) é o maior aliado dos cientistas na busca pelo detalhamento do átomo. moléculas de água em grande agitação moléculas de água com pouca agitação De modo geral, verificou-se que quanto maior for o nível de agitação (energia cinética) dessas partículas num corpo, maior será a quantidade de energia térmica relacionada a ele. A essa propriedade da matéria foi associada a grandeza denominada temperatura. Água fervendo na panela. Cubo de gelo derretendo sobre a pia. Ilustrações: Paulo Cesar 12 UNIDADE I TERMOLOGIA

15 Estabeleceu-se que o mais baixo estado térmico seria aquele em que as partículas do corpo estivessem no seu menor estado de energia cinética. A esse estado deu-se o nome de zero absoluto de temperatura. Com base nessa ideia, criou-se a escala numérica de temperaturas absolutas para expressar os estados térmicos associados aos níveis de agitação das partículas dos corpos. Antes dessa, as escalas tinham outros parâmetros, como o estado em que se encontra a água ao mudar de estado físico. Bill Hogan/Chicago Tribune/MCT/Getty Images Joe Robbins/Getty Images Kladej/Shutterstock/Glow Images Existe mais de uma escala para medir temperatura de corpos. 2. Equilíbrio térmico Vamos analisar a seguinte situação: o que acontece com a temperatura de uma garrafa com água retirada da geladeira e deixada sobre a pia depois de algum tempo? Antes de responder, precisamos compreender um fenômeno fundamental na Termologia: o equilíbrio térmico. Vimos que a temperatura de um corpo é a medida do grau de agitação de suas partículas. Essa agitação é influenciada por um tipo de energia (energia térmica) que pode ser transmitido entre os corpos ou entre um corpo e o ambiente, afetando suas temperaturas. Como a energia não pode ser criada nem destruída, ela será cedida por um corpo e absorvida pelo outro, alterando o grau de agitação das partículas desses corpos ou de um corpo e do ambiente em que ele está. Por exemplo, se um corpo ceder certa quantidade de energia térmica, sua temperatura cairá, indicando uma diminuição no grau de agitação de suas partículas. Quanto maior a diferença de temperatura entre dois corpos ou entre um corpo e o ambiente, maior será o fluxo de energia térmica entre eles. Assim, em todo ambiente sempre ocorrem trocas contínuas de energia térmica entre corpos com diferentes temperaturas, de modo que os corpos com temperaturas maiores cedem energia térmica para os de menor temperatura. As trocas de energia ocorrem até que os corpos atinjam a temperatura de equilíbrio, ou seja, o equilíbrio térmico. Então, quanto a nosso exemplo da garrafa com água gelada sobre a pia, podemos afirmar que depois de determinado tempo tanto a garrafa quanto os corpos e o ar da cozinha estarão à mesma temperatura, ou seja, atingirão o equilíbrio térmico. A energia térmica B A B t A t B t A t B equilíbrio térmico Na representação, corpos a temperaturas iniciais diferentes trocam energia térmica até alcançarem o equilíbrio térmico. Editoria de Arte/Setup CAPÍTULO 1 TERMOMETRIA 13

16 3. Medida de temperatura Para medir o grau de agitação das partículas que constituem um corpo, são utilizados os termômetros, instrumentos cujo funcionamento é baseado na capacidade de dilatação e contração térmicas de certas substâncias (substâncias termométricas) ao fornecer-lhes ou deles retirar energia térmica. Existem vários tipos de termômetro. O mais utilizado é composto de um recipiente de vidro, que possui um bulbo e um tubo capilar. Nesse recipiente é colocado um líquido, que pode ser mercúrio ou álcool colorido. Quando o bulbo é aquecido, o líquido se dilata e a altura se modifica ao longo do tubo. Como a altura varia com a quantidade de calor fornecida ou retirada do bulbo, associa-se essa variação à grandeza temperatura. A leitura é feita quando há o equilíbrio térmico entre o líquido no bulbo e o corpo. Há também outros tipos de termômetro que indicam a temperatura segundo a variação de grandezas físicas. Temperatura do planeta Terra medida por termômetro de radiação Termômetro de mercúrio. 4Max/Shutterstock/Glow Images Paul Whitehill/SPL/Latinstock Claus Lunau/SPL/Latinstock Luiz Rocha/Shutterstock/Glow Images PENSE E RESPONDA Em que situações você acha necessário medir a temperatura? Termômetro de radiação. Geralmente usado em satélites meteorológicos, mede a temperatura da atmosfera e da superfície da Terra. FAÇA NO CADERNO Termômetro de cristal líquido. Mais usado em crianças; quando a fita é encostada no corpo, a substância que a compõe muda de cor. 4. Escalas termométricas Termômetro de lâmina bimetálica. É utilizado no controle de temperatura de fornos, ferros elétricos e saunas. Constitui-se de duas lâminas de metais diferentes soldadas que, quando aquecidas, dilatam-se, formando uma curva. Resposta pessoal. Quando há suspeita de febre, mede-se a temperatura corporal; quando se quer saber a respeito do clima, mede-se a temperatura do ambiente; quando alguém vai fazer uma receita culinária, em que o forno é utilizado numa temperatura determinada, pode-se fazer essa medição etc. Foram muitas as escalas termométricas propostas ao longo do desenvolvimento da Termometria, mas atualmente somente três se destacam: a escala Celsius, proposta em 1742 pelo astrônomo sueco Anders Celsius ( ), a escala Fahrenheit, empregada principalmente nos países de língua anglo-saxônica, proposta em 1727 pelo físico alemão-polonês Gabriel Daniel Fahrenheit ( ), e a escala Kelvin (proposta em 1848), elaborada pelo físico britânico William Thomson ( ). Celsius construiu seu termômetro adotando dois pontos fixos: o zero para o gelo fundente e o 100 para a água em ebulição, ambos à pressão normal de 1 atm. 14 UNIDADE I TERMOLOGIA

17 Celsius Fahrenheit Fahrenheit atribuiu o zero para uma mistura de gelo, sal marinho e água e escolheu como o segundo ponto fixo a temperatura do corpo humano, ambos à pressão normal de 1 atm. Nessa escala, a temperatura de ebulição da água é 212. O intervalo entre os dois pontos fixos foi dividido em 100 partes iguais na escala Celsius e 180 partes iguais (32 a 212) na escala Fahrenheit. Na leitura das temperaturas expressas por essas escalas, usa-se a palavra grau para o símbolo. Por exemplo: 50 C (lemos: cinquenta graus celsius); 122 F (lemos: cento e vinte e dois graus fahrenheit). 100 ºC 21,1 ºC 0 ºC Termômetros graduados nas escalas Celsius e Fahrenheit. 212 ºF 70 ºF 32 ºF Editoria de Arte/Setup SAIBA MAIS SOBRE Nas palavras de Fahrenheit Eu construí dois tipos de termômetros: o primeiro preenchido com o espírito do vinho, o outro com mercúrio. O comprimento deles varia de acordo com a sua finalidade. Mas todos têm em comum a mesma quantidade de graus entre seus limites fixos. A escala dos termômetros serve meramente para fins meteorológicos, iniciando em 0 e terminando em 96. Esta escala se baseia na determinação de três pontos fixos, os quais são determinados da seguinte forma: o primeiro marca a parte mais baixa ou o começo da escala, e é encontrado por meio da mistura de gelo, água e sal-amoníaco ou sal marinho; se o termômetro é inserido nessa mistura, então o líquido desce até o ponto indicado por 0. Este procedimento é melhor realizado no inverno do que no verão. O segundo ponto é obtido quando água e gelo são misturados sem os sais mencionados; quando o termômetro é colocado nesta mistura, o líquido permanece no 32 grau, e este ponto eu chamo de ponto inicial de congelamento, quando no inverno a água em repouso é coberta por uma camada de gelo, o líquido termométrico atinge esse grau. O terceiro ponto encontra-se no 96 grau, e o espírito (do vinho) expande para esta marcação, quando o termômetro é colocado na boca ou embaixo do braço de uma pessoa saudável e é mantido ali tempo suficiente para alcançar completamente a temperatura do corpo [...]. As escalas dos termômetros usadas na determinação dos pontos de fervura dos líquidos também começam no 0 mas terminam nos 600 graus, pois esta é a temperatura que o mercúrio [...] começa a ferver. FARENHEIT, D. G. Experimenta circa gradum caloris liquorum nonnulorum ebullientium instituta. Philosophical Transactions of the Royal Society, Londres, v. 33, 1 jan Tradução dos autores. Disponível em: <http://rstl.royalsocietypublishing.org/content/33/ /1.full.pdf+html?sid=b066d d-45f0-9c94- dcc99ddffc3f>. Acesso em: 4 abr Agora responda 1 Fahrenheit construiu quantos tipos de termômetro? Fahrenheit construiu dois tipos de termômetro. 2 De acordo com o texto, quais eram as substâncias que preenchiam os termômetros construídos por Fahrenheit? Um era preenchido com o espírito do vinho, ou seja, álcool, e o outro continha mercúrio. 3 Por que a temperatura estabilizou no 32 quando o sal foi retirado da mistura gelo-água? Porque esse é o ponto inicial de congelamento da água na escala Fahrenheit. 4 Por que a temperatura máxima medida pelo termômetro de Fahrenheit era 600 graus? Porque nesse ponto o mercúrio que preenche o termômetro começa a ferver. 5 Fahrenheit diz que a escala dos termômetros serve meramente para fins meteorológicos, iniciando em 0 e terminando em 96. Você concorda com ele? Se não, mencione outros usos para a escala dos termômetros. Resposta pessoal. Sugestão: Serve também para medir temperatura do corpo humano, fornos industriaist etc. FAÇA NO CADERNO CAPÍTULO 1 TERMOMETRIA 15

18 PENSE E RESPONDA FAÇA NO CADERNO Suponha que você esteja no litoral, precise medir a temperatura de uma pessoa que você suspeita estar com febre e o termômetro disponível está com a numeração apagada e não permite a leitura. Na casa em que você está tem fogão e geladeira com freezer. Qual será seu procedimento para graduar o termômetro, de acordo com a escala Celsius? 5. Escala Kelvin de temperatura Primeiro é necessário determinar os dois pontos fixos. Coloca-se o bulbo do termômetro em uma vasilha com gelo derretendo, espera-se atingir o equilíbrio e marca-se o zero. Depois, coloca-se o bulbo próximo à água em ebulição, espera-se atingir o equilíbrio e marca-se o ponto 100. Divide-se em 100 partes iguais o espaço entre 0 e 100 e, assim, obtém-se um termômetro calibrado. A escala de temperatura Kelvin (K) é denominada escala absoluta. Essa escala foi obtida observando-se o comportamento de um gás, quando a volume constante variaram a pressão e a temperatura. A escala Kelvin tem a subdivisão de sua escala com o mesmo tamanho da escala Celsius. O primeiro ponto fixo, isto é, o ponto de fusão do gelo, corresponde a aproximadamente 273 K, e o segundo ponto fixo, ou seja, o ponto de ebulição da água, corresponde a 373 K. Zero absoluto ou zero kelvin Como a temperatura é uma medida do grau de agitação térmica da estrutura atômica e molecular de uma substância, não existe, teoricamente, um limite superior para o valor de temperatura que uma substância pode alcançar. Entretanto, existe um limite inferior de temperatura. Kelvin extrapolou matematicamente a resposta obtida dos estudos do comportamento da pressão e da temperatura de um gás. Sabendo que a pressão diminui com o decréscimo da temperatura, ele calculou qual seria o valor de temperatura que resultaria em uma pressão nula, ou seja, constatou que, com as moléculas inertes, o gás deixaria de exercer pressão sobre as paredes do recipiente. Cientistas experimentais do século XIX descobriram que é impossível reduzir a temperatura de uma substância a um valor igual ou inferior a -273,15 C. Esse limite inferior de temperatura é chamado de zero absoluto ou zero kelvin (0 K). Não se pronuncia a palavra grau com a temperatura em kelvin (o termo kelvin é escrito por extenso, com letra inicial minúscula, ou abreviado por K em letra maiúscula). A essa temperatura (0 K), as partículas não teriam nenhuma energia cinética, o que é bastante improvável depois que ficou demonstrado, pela teoria quântica, que existe uma energia cinética mínima que toda estrutura atômica deve ter. A partir de 1954, a escala Kelvin foi adotada como unidade oficial de temperatura pelo Sistema Internacional de Unidades (SI). Fahrenheit Celsius Kelvin William Thomson ( ) foi um engenheiro e físico escocês conhecido como Lorde Kelvin, graças ao título de nobreza obtido em Autor desconhecido. c Coleção Particular. Foto: Royal Astronomical Society/SPL/Latinstock Editoria de Arte/Setup Correspondência entre as escalas Fahrenheit, Celsius e Kelvin. 459, UNIDADE I TERMOLOGIA

19 Danny Johnston/AP/Glow Images 6. Relação entre as escalas Em um noticiário estadunidense de tevê a cabo, um jornalista disse que na cidade de Little Rock, durante uma nevasca, a temperatura chegou a 23 graus. Um estudante brasileiro, ao ouvir isso e ver as imagens de pessoas com blusas grossas, gorros e cachecóis, ficou confuso, uma vez que quando faz 23 graus aqui no Brasil a sensação térmica é bastante agradável. Que confusão ele fez? Valores de temperaturas máxima e mínima medidas em Fahrenheit Springfield Roanoke Nashville Raleigh/Durrham Oklahoma City Little Rock Columbia Atlanta Dallas/ 28 Shreveport 29 Fort Worth Jackson Montgomery New Orleans Austin Houston Tallahassee Orlando Corpus Christi Miami Editoria de Arte/Setup Nevasca na cidade de Little Rock, EUA. A medida da temperatura depende da escala utilizada. Na ilustração acima, as temperaturas estão na escala Fahrenheit. O estudante está confundindo escalas de medida de temperatura. No Brasil, a escala de temperatura padrão é Celsius, diferentemente dos EUA, onde se usa a escala Fahrenheit. Então, quantos graus Celsius correspondem a 23 graus Fahrenheit? Essa situação nos leva a recorrer a uma regra de correspondência entre as escalas termométricas. Consideremos, então, C, F e T as temperaturas de um corpo nas escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin, respectivamente. Para obter as funções termométricas que relacionam as três escalas, vamos considerar a correspondência entre os pontos fixos de fusão do gelo e ebulição da água ao nível do mar. Colocando as três escalas com essas temperaturas devidamente alinhadas, temos a situação indicada ao lado. Se soubermos o valor da temperatura do corpo em uma escala, poderemos obter o correspondente valor em outra, estabelecendo a seguinte proporção: θc 0 F 32 T θ Simplificando, temos: ponto de ebulição da água C C 0 F F K T temperatura que se quer calcular ponto de fusão do gelo Editoria de Arte/Setup C 5 32 F T Desse modo, podemos saber a quantos graus Celsius correspondem 23 F usando a relação: C 32 F 5 9 capítulo 1 Termometria 17

20 Substituindo F por 23, obtemos: C C ( 1) 5 5 C De fato, estava frio em Little Rock! Agora use a função termométrica correspondente e mostre que os 23 F correspondem a 268 K. PENSE E RESPONDA O vácuo é concebido como ausência total de matéria. É possível medir a temperatura do vácuo? Justifique. FAÇA NO CADERNO Não, pois temperatura é a medida do grau de agitação das partículas (átomos, moléculas). ATIVIDADES RESOLVIDAS 1 Em uma sala de aula, certo dia, um termômetro registrou uma elevação de 5 C no ambiente em um intervalo de 3 horas. Qual seria a elevação registrada se o termômetro fosse graduado na escala Fahrenheit? Resolução: Gráficos e Ilustrações: Editoria de Arte/Setup ºC C 0ºC 212ºF F ºF Relacionando as variações no interior da sala de aula, temos: C F C F 9 Para C 5 C, obtemos: 5 F 5 9 F 9 F F 2 No laboratório de Física de um colégio, um grupo de alunos, utilizando um termômetro graduado em Celsius e outro em Fahrenheit, mediu a temperatura de um corpo em situações variadas. Com o resultado das medições, construíram o gráfico ao lado. Utilizando os dados do gráfico, calcule o valor da temperatura do corpo, em graus Celsius, correspondente ao ponto A. 212 Resolução: F 212 R A temperatura do corpo em graus Celsius correspondente ao ponto A é a abscissa x desse ponto. Logo, os triângulos retângulos PQA e RSA são semelhantes. Então: 32 A C QA PQ SA RS 0 x x x x x x 180x 3200 x 17,8 C 32 P S A 0 Q 100 C Portanto, a temperatura do corpo correspondente ao ponto A é de aproximadamente 17,8 C. 3 Um termômetro de mercúrio é calibrado de modo que, na temperatura de 0 C, a altura da coluna é de 4 cm, e, na temperatura de 100 C, a altura é de 8 cm. Determine: a) a função termométrica que relaciona a temperatura ( c ) com a altura (h) da coluna de mercúrio; b) a altura da coluna quando a temperatura é de 40 C. 18 UNIDADE I TERMOLOGIA

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