ESTADOS FÍSICOS FUNDAMENTAIS

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1 ESTAOS FÍSICOS FUNAMENTAIS stock photos A matéria é constituída de corpúsculos (átomos, íons ou moléculas) agregados uns aos outros. Esta agregação nos leva a distinguir na matéria três estados físicos fundamentais: SÓLIO - São corpos que apresentam forma e volumes próprios; resistem a esforços de tração, compressão, flexão etc. São rígidos e incompressíveis. LÍQUIO - São corpos que apresentam volumes próprios, mas não forma própria; não apresentam resistência a tração mas resistem à compressão. São fluidos e incompressíveis. GASOSO - Não apresentam forma nem volume próprios, tomando a forma e o volume do recipiente que os contém. Apresentam pequena resistência à compressão. São fluidos e compressíveis. Ferro em estado líquido 1. MUANÇAS E ESTAO Através do aquecimento ou do resfriamento de uma substância, promovemos a sua mudança de estado. Exemplo: - a fusão do gelo. Quando ao mudar de estado, a substância passa por um amolecimento gradativo até atingir o estado líquido, a fusão é pastosa. Exemplo: - a fusão da parafina. Solidificação: é a passagem de uma substância do estado líquido para o estado sólido. É a transformação inversa da fusão. Vaporização: é a passagem de uma substância do estado líquido para o gasoso. A vaporização pode se processar de três maneiras diferentes: EVAPORAÇÃO: é a vaporização lenta. Pode ocorrer em qualquer temperatura desse líquido. EULIÇÃO: é um processo turbulento, que se verifica em toda a massa do líquido e só ocorre em uma determinada temperatura, chamada ponto de ebulição. CALEFAÇÃO: é a vaporização que ocorre quando um líquido é derramado sobre uma superfície aquecida a uma temperatura superior à de ebulição do líquido. Liquefação: é também chamada de condensação. É a passagem de uma substância do estado gasoso para o estado líquido. Sublimação: é a passagem da substância diretamente do estado sólido para o estado gasoso ou vice-versa. A fusão e a solidificação se processam na mesma temperatura, chamada temperatura (ou ponto) de fusão ou solidificação. A ebulição e a liquefação se processam na mesma temperatura, chamada temperatura (ou ponto) de ebulição ou de liquefação. As mudanças de estado obedecem às seguintes leis: Se a pressão for mantida constante, durante a mudança de estado a temperatura se mantém constante. Para uma dada pressão, cada substância tem a sua temperatura de mudança de estado. Variando a pressão, a temperatura de mudança de estado também varia. 2. CALOR LATENTE Vamos definir estes tipos de mudança de estado. Fusão: é a passagem de uma substância do estado sólido para o estado líquido. Quando na fusão há coexistência das fases sólida e líquida, a fusão é nítida ou cristalina, isto é, o corpo passa aos poucos de uma fase para a outra. Vimos que calor latente é o calor que provoca mudança de estado da matéria e que, enquanto o corpo ganha ou perde calor latente, sua temperatura permanece constante. A quantidade de calor latente Q recebida ou perdida por um corpo é diretamente proporcional à massa m do corpo. Isto é: onde L é chamado calor latente de fusão ou de vaporização. 1

2 Este calor depende: do tipo de mudança de estado (fusão, vaporização, etc.) da natureza das substâncias. Vale a pena lembrar que: CALOR LATENTE E EULIÇÃO = CALOR LATENTE E LIQUEFAÇÃO TESTE E SALA Calcule a quantidade de calor liberada quando 30 gramas de vapor de água a 100oC são resfriados, sob pressão normal, até congelar a 0oC. ados: L(vaporização) = 540 cal/g; L(fusão) = 80 cal/g P.C. Ponto crítico Verifica-se experimentalmente que, quanto mais baixa é a temperatura de um corpo, menor é a pressão necessária para que haja liquefação. Para cada substância no estado gasoso, existe uma temperatura determinada, acima da qual não é possível a liquefação, por maior que seja a pressão exercida. A esta última temperatura damos o nome de temperatura crítica (T.C.), que define o ponto crítico (P.C.) Obs.: Quando a temperatura de uma substância está acima da crítica, a substância recebe o nome de gás; quando a temperatura está abaixo da crítica, a substância é denominada vapor. Existem, no entanto, substâncias como a água, o ferro e o bismuto, por exemplo, que sofrem uma redução de volume ao passarem para o estado líquido. Para estas substâncias, o aumento de pressão acarreta uma diminuição do ponto de fusão. Em relação a essas substâncias, o gráfico da pressão em função do ponto de fusão se apresenta assim: LÍQUIO SÓLIO 3. INFLUÊNCIA A PRESSÃO NA MUANÇA E ESTAO E UMA SUSTÂNCIA e um modo geral, para um aumento de pressão, há um aumento na temperatura de mudança de estado. Construindo-se o gráfico cartesiano das condições de equilíbrio entre as fases sólido, líquido e gasoso, encontramos o diagrama de estado de uma substância. P.T Ponto triplo Este ponto representa as condições segundo as quais um corpo se situa entre as fases sólida, líquida e gasosa, em equilíbrio térmico. 2 á-se o nome de regelo à fusão do gelo em temperaturas mais baixas que o seu próprio ponto de fusão. Como vimos, o aumento da pressão causa na água um abaixamento no ponto de fusão, causando este fenômeno. No gráfico ( I ) a seguir, temos: Inicialmente, o gelo estava nas condições do ponto A. Com o aumento da pressão, ele passa de A para, sofrendo fusão no ponto C. Com a descompressão, o sistema volta ao ponto A, ocorrendo o regelo. Uma experiência bastante interessante sobre este fenômeno é mostrada na figura (II).

3 Pendurando dois pesos na barra de gelo, aumentando a pressão nesta região, causamos a fusão do gelo, a água escorre para cima do cabo voltando ao estado sólido, formando o regelo. No final da experiência, vemos o cabo atravessar a barra, sem dividi-la em duas partes! SUPERFUSÃO A superfusão não é um estado permanente, de tal forma que, se atirarmos no líquido um pequeno cristal sólido ou se agitarmos o líquido, parte dele se solidificará rapidamente (trecho C) e o líquido voltará (se aquec à temperatura de solidificação (); a partir daí, a solidificação se desenrolará normalmente (E). 4. MÉTOOS E PROPAGAÇÃO O C A LO R CONUÇÃO Quando o calor é transmitido de um ponto a outro através de agitação molecular dos choques entre as moléculas, sem haver transporte de matéria. É o caso de aquecermos a extremidade de uma barra metálica e sentirmos o aquecimento na extremidade oposta. Algumas substâncias conduzem calor melhor que as outras. O calor passa da região de maior para a de menor temperatura. A superfusão é um fenômeno que ocorre com um líquido, quando, ao ser resfriado lentamente, sem provocar nenhuma agitação em sua massa, o levamos a temperaturas mais baixas que o seu ponto de solidificação, ainda sob a forma de líquido. Na superfusão, a curva de resfriamento toma o aspecto da figura. que a superfície congelada de uma lagoa protege do ar atmosférico a camada líquida, os esquimós aprenderam que o próprio gelo pode resguardá-los do frio e construíram suas casas com blocos de gelo, os iglus. Inúmeras situações se referem aos três processos de transmissão de calor: condução, convecção e radiação ou irradiação. Vejamos cada um deles. FLUXO E CALOR É a razão entre a quantidade de calor que passa de uma região para outra de temperatura menor e o tempo gasto nesta Q passagem. t Q t Natureza, uma grande mestra Os modernos conceitos sobre transmissão de calor nos lembram o homem primitivo, que, observando os ursos, as renas e outros animais de pelo, teve a ideia de cobrir-se para proteger-se do frio. Hoje usamos roupas dos mais diversos tipos. Mas o princípio é o mesmo: tanto a pele dos animais quanto a roupa criam um isolamento térmico entre o corpo e o ambiente, não permitindo troca de calor. Pela observação da natureza também aprendemos que o ar é outro excelente isolante térmico: os pássaros, em dias frios, arrepiam as penas para reter uma camada de ar em torno da pele, isolando assim o entro de um iglu a temperatura é maicorpo do ambiente. or que a do ar atmosférico que o circunda. Isso porque, sendo isolante térmico, Outro exemplo o gelo não permite a passagem do calor de isolamento térmico de dentro para fora do iglu. é o gelo. Percebendo O fluxo de calor depende: 1) da área A da chapa. Quanto maior a área, maior será a quantidade de calor que passa por ela; 2) da diferença de temperatura. Quanto maior a diferença de temperatura entre as duas regiões, maior será a quantidade de calor que passa através da chapa; 3) da espessura da chapa. Quanto mais espessa for a chapa, menor será a quantidade de calor que passa por ela. Nessa expressão, K é coeficiente de condutibilidade térmica da chapa, A é a área da chapa, T é a diferença de temperatura entre as regiões, e é a espessura da chapa. O valor de K é grande para os bons condutores de calor, como os metais, e pequeno para os isolantes térmicos, como a lã. 3

4 TESTE E SALA Quando a propagação do calor se faz através de ondas eletromagnéticas (raios infravermelhos), independendo da existência de meio material para a sua propagação. Exemplo: - o calor do Sol que atinge a Terra, se propaga no vácuo por irradiação. Laureni Fochetto (UFA) A figura seguinte apresenta um bastão de alumínio de massa homogênea, cuja extremidade direita, colocada sobre a região da chama de uma vela, está a 80o C, e a esquerda, segura pelas mãos de um garoto, está em torno de 30oC. RAIAÇÃO OU IRRAIAÇÃO Sabendo-se que a condutibilidade térmica do alumínio é 0,50cal.s-1. cm-1 oc-1 e a secção transversal do bastão é de 4cm2, calcule, em segundos, o tempo mínimo que o garoto sentirá variação de temperatura se, neste intervalo, o bastão absorveu 180 calorias. Quando sentamos em frente a uma fogueira, recebemos energia por irradiação. 5. COMPORTAMENTO ANÔMALO A Á G UA A maioria das substâncias se contraem ao sofrerem solidificação. A água, entretanto, apresenta comportamento oposto. Podemos comprovar isso colocando no congelador uma garrafa cheia de água ou refrigerante (que contém grande parte de águ: na mudança de fase, o recipiente pode quebrar. Se ao resfriarmos uma certa massa de água e anotássemos o seu volume a cada temperatura obteríamos o gráfico dado a seguir. CONVECÇÃO É a transmissão do calor através do transporte de matéria de um ponto para outro. Este processo só pode ocorrer nos fluidos (líquidos e gases) e consiste na formação das correntes de convecção : A massa da substância é aquecida (A), ficando com densidade menor que as massas adjacentes. Subindo à superfície () ela se resfria, retomando a densidade inicial e, consequentemente, descendo novamente. 4 Percebemos que o resfriamento provoca uma contração até 4ºC. A partir deste ponto a água começa a se dilatar, apesar de estar sendo resfriada. O volume mínimo da amostra ocorre a 4ºC e consequentemente, nesta temperatura a sua densidade será máxima.

5 TESTES E CASA 01. (FTC) A água está continuamente sofrendo mudanças de fase na natureza. Quando líquida, evapora-se sob ação do calor do Sol e os vapores formados sobem, condensandose nas camadas superiores da atmosfera. É comum também a formação do orvalho, que, quando se solidifica, dá origem à geada. (Ramalho, p ) evaporação e a solidificação. solidificação e a condensação. condensação e a evaporação. solidificação, apenas. evaporação, apenas. 02. (FAVIC) Com base nos conhecimentos sobre calorimetria, marque com V as afirmativas verdadeiras e com F, as falsas. ( ( ( ) Um corpo pode receber calor sem aumentar a sua temperatura. ) A troca de calor entre dois sistemas depende da energia térmica armazenada em cada um deles e não da diferença de temperatura entre ambos. ) Para corpos de uma mesma substância, a capacidade térmica é inversamente proporcional à massa. A alternativa que indica a sequência correta, de cima para baixo, é a: VFF FFV VVF FVV VVV 03. (UCS) A energia é uma grandeza física relacionada com os mais diversos fenômenos. Quase todas as coisas que acontecem na natureza podem ser interpretadas como transformações da energia. A energia transferida corresponde a calor ou trabalho. O equivalente mecânico do calor, determinado por James Joule na primeira metade do século XIX, é de 4,2 joules/caloria. Assim, quando 20 g de água sofrem variação de 1 C por agitação, a energia mecânica transferida à água vale, em joules: Considere um sólido cristalino de massa 100 g que se encontra a 327 C, que é a sua temperatura de fusão. O calor específico da substância constituinte do sólido vale 0,10 cal/g C e o calor latente de fusão vale 6,0 cal/g. Fornecendo ao sólido 120 cal de calor: a sua temperatura aumenta de 12 C. funde uma massa de 80 g do sólido. funde uma massa de 20 g do sólido. a sua temperatura varia de 120 C. a sua temperatura passa a 351 C. Considerando-se as mudanças de fase abordadas no texto, é necessária a absorção de energia, na forma de calor latente, para que ocorra a: 04. (UCS) Na natureza quase todos os sólidos têm os seus átomos dispostos ordenadamente, constituindo uma rede cristalina. Quando um sólido cristalino recebe calor, suas moléculas passam a se agitar mais intensamente. À temperatura de fusão, a agitação térmica é suficiente para destruir a estrutura cristalina. 05. (UEFS) Um aquecedor elétrico, de potência P, deve ser utilizado para fundir completamente, ao nível do mar, uma massa m de gelo inicialmente à temperatura To < 0 C. esprezando-se as perdas e sendo c e L o calor específico e o calor latente de fusão do gelo, respectivamente, esse aquecedor deve permanecer ligado por um tempo mínimo igual a: m(cto L) P P(LTo m Pm (ct L) o LTo c mp Pm (LTo (UEFS) O gráfico ilustra as transformações sofridas por 50g de uma certa substância inicialmente no estado sólido. Com base nas informações fornecidas no gráfico, pode-se concluir que o calor latente de fusão dessa substância, em cal/g, é igual a:

6 07. (UCS) A temperatura de um corpo, inicialmente sólido, varia com a quantidade de calor que recebe, como mostra o gráfico abaixo. Sabendo que o calor latente de fusão da substância de que é feito o corpo vale 20 cal/g, o calor específico da substância no estado sólido, em cal/g C, vale: 0,050 0,10 0,15 0,20 0, (UCS) Colocam-se m gramas de gelo a 0 C num recipiente contendo 2 m gramas de água à temperatura t. Após certo m gramas de gelo boiando na 2 água em estado de equilíbrio térmico. Admite-se não haver troca de calor com o ambiente, o calor latente de fusão do gelo é 80 cal/g e o calor específico da água é 1,0 cal/g C. Pode-se, então, concluir corretamente que a temperatura t da água, em C, era: tempo, verifica-se que há ados: calor específico da água = 1,0 cal/g C calor latente de fusão do gelo = 80 cal/g calor latente de vaporização da água = 540 cal/g 11. (UNIT) Uma massa m de gelo a 0 C e outra M de vapor de água a 100 C, ao nível do mar, são colocadas em um recipiente de paredes adiabáticas e capacidade térmica desprezível. Verifica-se que o equilíbrio térmico é atingido a 40 C. Nessas condições, a relação m/m vale: 08. (UCS) Uma amostra de 200 g de uma substância, inicialmente no estado sólido, é aquecida por uma fonte térmica de potência constante. O gráfico abaixo representa a temperatura da substância em função do tempo t de aquecimento ados: Calor específico do cobre = 0,092 cal/g C Calor de fusão do gelo = 80 cal/g ensidade do gelo = 0,92 g/cm³ 12. (UCS) Uma esfera de cobre de 10,0 g é aquecida em água fervente a 100 C e, imediatamente, é tirada da água colocada sobre um bloco de gelo, suposto a zero graus Celsius, derretendo uma parte do gelo e formando uma cavidade. O volume dessa cavidade, em cm³, é um valor que pode ser estimado próximo de: Sabendo que o calor latente de fusão da substância vale 40 cal/g, o seu calor específico no estado sólido, em cal/ g C, vale: 0,25 0,40 0,64 0,80 1,2 09. (UNIT) Um recipiente, de capacidade térmica desprezível, contém 400g de água a 40 C. Introduzem-se no recipiente 100g de gelo, a 0 C. Admitindo-se que não há trocas de calor com o ambiente, a temperatura final de equilíbrio, em oc, é: 6 zero 5, ados: calor específico da água = 1,0 cal/g C calor latente de fusão do gelo = 80 cal/g 0,5 1,3 2,0 9, (CEFET) No interior de um enorme bloco de gelo foi feita uma cavidade, onde se colocou uma esfera metálica de 50g a 90 C. Sabendo-se que o valor latente de fusão do gelo e o calor específico do metal valem, respectivamente, 80 cal/g e 0,12 cal/g C, no equilíbrio térmico, a massa de água líquida, em gramas, é igual a: 6,75 6,25 5,75 5,25 5,00

7 14. (IME-RJ) Um vidro plano, com coeficiente de condutibilidade térmica 0, cal/s.cm C, tem uma área de 1000 cm² e espessura de 3,66 mm. Sendo o fluxo de calor por condução através do vidro de 2000 calorias por segundo, calcule em 10² C, a diferença de temperatura entre suas faces. A pressão atmosférica local é normal. Sabendo-se que o coeficiente de condutibilidade térmica do alumínio vale 0,5 cal/s.cm C, pede-se calcular a temperatura numa secção transversal da barra situada a 40 cm da extremidade mais quente. 16. (UCS) Considere os processos de transferência de calor e suas denominações: I. agitação das partículas II. propagação ondulatória III. transporte de matéria a. condução b. convecção c. irradiação calefação. sublimação. 19. (UEFS) Experimentos simples mostram que as temperaturas de fusão e ebulição dependem da pressão que atua sobre as substâncias. O aumento da pressão diminui a temperatura de fusão e aumenta a temperatura de ebulição. Sabe-se que a água tem ponto de ebulição 100 C, quando está sob pressão de 1atm. A partir dessas informações e dos conhecimentos de hidrostática, pode-se inferir que, na cidade de Campos do Jordão, situada a 1700m acima do nível do mar: a pressão atmosférica é superior a 1atm. o ponto de ebulição da água é inferior a 100 C. o ponto de liquefação do vapor d'água é superior a 100 C. as moléculas de água precisam de maior energia para evaporar. as moléculas de vapor d'água absorvem maior quantidade de calor para se liquefazer. 15. Uma barra de alumínio de 50 cm de comprimento e área de secção transversal 5 cm² tem uma de suas extremidades em contato térmico com uma câmara de vapor d'água em ebulição. A outra extremidade está imersa numa cuba que contém uma mistura bifásica de gelo fundente. condução. convecção. irradiação. 20. (UCS) A temperatura de fusão do gelo ao nível do mar é 0 C. Com o aumento da pressão a temperatura de fusão diminui, pois o gelo diminui de volume ao se fundir. Assim, no topo de uma montanha a temperatura de fusão do gelo pode ser: -2 C 0 C 30 F 32 F 275 K 21. (UCS) Considere o diagrama de fases de certa substância. A associação correta é: Ia, IIb e IIIc Ia, IIc e IIIb Ib, IIa e IIIc Ib, IIc e IIIa Ic, IIa e IIIb 17. (UCS) Considere o texto abaixo com as lacunas. Numa geladeira, o ar frio... e o ar quente... para ser resfriado, numa contínua corrente de... para facilitar o resfriamento do ar, o sistema de refrigeração é colocado na parte... da geladeira. As palavras que preenchem corretamente as lacunas são, respectivamente, sobe - desce - convecção - superior desce - sobe - convecção - superior sobe - desce - condução - inferior desce - sobe - condução - inferior sobe - desce - radiação - superior 18. (UNE) O Sol aquece a Terra a partir da propagação de ondas eletromagnéticas. Analise as afirmações relativas a esse diagrama. I. S é um ponto que representa um equilíbrio entre as fases líquida e gasosa. II. No estado Q a substância pode se apresentar sólida e/ ou líquida. III. R é um ponto que representa um líquido. IV. Para pressões maiores que a do ponto T pode ocorrer a sublimação. São corretas SOMENTE: I e II II e III III e IV I, II e III I, II e IV A esse fenômeno dá-se o nome de: 7

8 22. (FC) Abaixo é apresentado o diagrama de estados físicos de certa substância pura. Nos eixos estão representadas pressões e temperaturas. 24. (UNE) Sob pressão atmosférica normal, a densidade da água varia em função da temperatura, de acordo com o gráfico. Considere as afirmações: I. Partindo do estado A, a substância poderá se solidificar por abaixamento de temperatura, à pressão constante. II. A partir do ponto A, pode-se conseguir a vaporização por redução de pressão, mantida a temperatura constante. III. A passagem de para C é denominada sublimação. IV. No ponto T, a substância pode se apresentar nos três estados físicos, simultaneamente. entre elas, são corretas: apenas I e II apenas III e IV apenas I, II e III apenas I, II e IV I, II, III e IV. 23. (FTE) Considerando-se essas informações e o fato de a água, na forma sólida, ser menos densa do que na forma líquida, é correto afirmar que esse fluido mantém volume constante, ao ser aquecido a partir do ponto de fusão. mantém volume constante, ao ser resfriado de 4 C até o ponto de solidificação. se submete à contração térmica durante o resfriamento, à medida que vai atingindo temperaturas muito próximas do ponto de congelamento. se submete à dilatação térmica durante o resfriamento, à medida que vai atingindo temperaturas muito próximas do ponto de solidificação. tem, no processo de solidificação, aumento de massa e redução de volume. Questões 25 a 27 O estado físico em que uma substância se encontra depende das condições de pressão e temperatura. O gráfico abaixo representa o diagrama de fase do CO2. (O gráfico não está em escal. Em regiões de inverno rigoroso, os lagos e os rios congelam apenas na superfície. Esse fenômeno, que ocorre devido à dilatação irregular da água, conforme gráfico, é fundamental para a preservação da fauna e da flora aquáticas e está associado ao fato de a água apresentar: densidade máxima a 4 C. volume máximo a 4 C. contração térmica, ao ser resfriada de 4 C a 0 C. ligações de hidrogênio apenas no estado líquido. propriedades que possibilitam a manutenção da vida em quaisquer temperaturas intracelulares. 25. Região em que a substância está no estado líquido. 26. Ponto crítico. 27. Ponto de equilíbrio entre as três fases da substância. 8

9 28. O gráfico representa o diagrama de fases do gelo seco. PT e PC representam, respectivamente, ponto triplo e ponto crítico da substância. Analise esse diagrama e assinale a alternativa correta. 29. O diagrama de fases de uma substância pura é mostrado na figura abaixo. Com relação aos pontos assinalados na figura, a alternativa correta é: O tempo que se gasta para cozinhar os alimentos não depende da pressão local. Quando tocamos em madeira ou metal, ambos à mesma temperatura, as sensações térmicas são iguais. Como o ar não é bom condutor térmico, os pássaros eriçam suas penas para se manterem quentes. Uma garrafa cheia d água pode quebrar, dentro de um congelador, porque a água ao se congelar sofre aumento de volume. Ao bebermos água gelada, notamos que o copo sua, ficando com a parte externa molhada. Isto acontece porque a água atravessa as paredes do copo e molha a parte externa. 31. O vidro espelhado e o vácuo existente entre as paredes de uma garrafa térmica ajudam a conservar a temperatura da substância colocada no seu interior. Acima de 31ºC, a substância apresenta-se no estado de vapor. É possível liquefazer o gás apenas aumentando a temperatura de -56,6ºC para 31ºC. A substância pode apresentar-se no estado sólido para os vapores de pressão acima de uma atmosfera. A substância apresenta-se sempre no estado líquido para a temperatura de 20ºC. A substância apresenta-se em mudança de estado para pressão de 5,1 atm e temperatura de -10ºC. 30. Sobre problemas térmicos, podemos afirmar: Isso ocorre porque: a radiação térmica não se propaga no vácuo. o vidro é isolante térmico. as paredes espelhadas minimizam a perda de energia por condução. o vácuo entre as paredes minimiza que haja propagação de calor por condução e por convecção. a radiação térmica sofre reflexão total na interfece da substância com o vidro espelhado. 32. (CEFET) A água é um dos elementos fundamentais para o surgimento e a manutenção da vida. Nas regiões onde a temperatura varia de 0 C até 4 C, a superfície dos lagos se congela para preservar espécies aquáticas. O congelamento da superfície desses lagos ocorre devido: A substância no ponto I está na fase vapor e no ponto A está simultaneamente nas fases sólida e vapor. A substância no ponto T (ponto tríplic está simultaneamente nas três fases e no ponto II está na fase vapor. A substância no ponto III está na fase líquida e no ponto C está simultaneamente nas fases sólida e líquida. A substância no ponto está simultaneamente nas fases sólida e líquida e no ponto III está na fase sólida. A substância nos pontos I, II e III está nas fases líquida, vapor e sólida, respectivamente. ao calor latente de fusão do gelo. ao aumento da densidade da água líquida. ao coeficiente de dilatação térmica da água. à densidade da água líquida que se mantém constante. ao valor relativamente alto do calor específico da água líquida. 33. Uma pessoa anda descalça no interior de uma casa onde as paredes, o piso e o ar estão em equilíbrio térmico. A pessoa sente o piso do ladrilho mais frio que o de madeira devido a: efeitos psicológicos. diferentes propriedades de condução de calor do ladrilho e da madeira. diferença de temperatura entre o ladrilho e a madeira. diferença entre os calores específicos do ladrilho e da madeira. diferentes propriedades de radiação do calor do ladrilho e da madeira. 9

10 34. (UESC) Uma parede de concreto com 9,0m2 de área e 10,0cm de espessura tem coeficiente de condutibilidade térmica K=2,0.10 3cal/s.cm. C. Sabendo-se que, em um determinado momento, a diferença de temperatura entre suas faces é de 5,0 C, a quantidade de calor que flui, no regime estacionário, através da parede durante 10,0min, em calorias, é: ,4 35. (FMAC - SP) Atualmente, os diversos meios de comunicação vêm alertando a população para o perigo que a Terra começou a enfrentar já há algum tempo: o chamado efeito estufa. Tal efeito é devido ao excesso de gás carbônico, presente na atmosfera, provocado pelos poluentes dos quais o homem é responsável direto. O aumento de temperatura provocado pelo fenômeno deve-se ao fato de que: a atmosfera é transparente à energia radiante e opaca para as ondas de calor. a atmosfera é opaca à energia radiante e transparente para as ondas de calor. a atmosfera é transparente tanto para a energia radiante como para as ondas de calor. a atmosfera é opaca tanto para a energia radiante como para as ondas de calor. a atmosfera funciona como um meio refletor para a energia radiante e como meio absorvente para as ondas de calor. 36. Analisando uma geladeira doméstica, podemos afirmar: I O congelador fica na parte superior para favorecer a condução do calor que sai dos alimentos e vai até ele. II As prateleiras são grades vazadas (e não chapas inteiriças), para permitir a livre convecção das massas de ar quentes e frias no interior da geladeira. III A energia térmica sai dos alimentos chega até o congelador, principalmente, por irradiação. IV As paredes das geladeiras normalmente são intercaladas com material isolante, com objetivo de evitar a entrada de calor por condução. a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, e a sensação é devido ao fato de a condutividade térmica do alumínio ser maior que a do vidro. a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, e a sensação é devido ao fato de a condutividade térmica do vidro ser maior que a do alumínio. 38. (UEA-AM) Os exaustores na foto abaixo são dispositivos usados para retirar o ar quente do interior de um ambiente, sem qualquer acionamento artificial. Mesmo assim, as hélices dos exaustores giram. Uma explicação correta para o movimento das hélices é: a passagem do ar quente da parte interna para a externa, através do exaustor. a passagem do ar quente da parte externa para a interna, através do exaustor. a passagem do ar frio da parte externa para a interna, através do exaustor. a propagação do calor por condução da parte interna para o meio exterior. a propagação do calor por irradiação da parte interna para o meio exterior. 39. (CFT-CE) Na figura a seguir tem-se um dispositivo que nos ajuda a entender as formas pelas quais o calor se propaga. Quais afirmativas são corretas? I. I, II e III. I e III. II e IV. todas as afirmativas. 37. Uma garrafa de vidro e uma lata de alumínio, cada uma contendo 330mL de refrigerante, são mantidas em um refrigerador pelo mesmo longo período de tempo. Ao retirá-las do refrigerador com as mãos desprotegidas, tem-se a sensação de que a lata está mais fria que a garrafa. É correto afirmar que: a lata está realmente mais fria, pois a capacidade calorífica da garrafa é maior que a da lata. a lata está de fato menos fria que a garrafa, pois o vidro possui condutividade menor que o alumínio. a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, possuem a mesma condutividade térmica, e a sensação deve-se à diferença nos calores específicos. 10 Observa-se que, em um local livre de correntes de ar, ao ligar a lâmpada - transformação de energia elétrica em térmica -, a ventoinha acima da lâmpada começa a girar. Isto deve-se, principalmente, devido à(às): irradiação térmica próxima à lâmpada aquecida. convecção térmica do ar próximo à lâmpada aquecida. condução térmica que predomina nos metais. força de atração gravitacional entre a ventoinha e a lâmpada. forças de ação e de reação.

11 40. Na geladeira, retira-se periodicamente o gelo do congelador. Nos polos, as construções são feitas sob o gelo. Os viajantes do deserto do Saara usam roupas de lã durante o dia e à noite. Julgue as afirmações seguintes, sobre isolantes térmicos e indique a falsa. 43. Uma forma experimental para medir a condutividade térmica de um material usado como isolante é construir uma caixa com esse material. No seu interior, é colocado um aquecedor elétrico de potência conhecida que mantém a temperatura interna superior à externa. Suponha que foi construída uma caixa com determinado material isolante. A área total externa tem 4,0 m e a espessura das paredes é de 5,0 m. O aquecedor elétrico desenvolve uma potência constante de 300 W, mantendo a temperatura interna da caixa 50 C acima da temperatura externa. esprezando possíveis efeitos de bordas, determine o coeficiente de condutividade térmica do material em questão. 41. Com o calor que atravessa uma parede de concreto de 10 cm de espessura (k = 2, cal/s cm.ºc) e área de 9, cm², num intervalo de 100s, quando suas faces experimentam uma diferença de temperatura de 40ºC, é possível fundirmos um cubo de gelo de 10 cm de aresta, a 0ºC e pressão normal. O calor latente de fusão do gelo é 80 cal/g. etermine a massa do cubo de gelo. o gelo é mau condutor de calor. a lã evita o aquecimento do viajante do deserto durante o dia e o resfriamento durante a noite. a lã impede o fluxo de calor por condução e diminui as correntes de convecção. o gelo, sendo um corpo a 0 C, não pode dificultar o fluxo de calor. o ar é um ótimo isolante para o calor transmitido por condução, porém favorece muito a transmissão do calor por convecção. Nas geladeiras, as correntes de convecção é que refrigeram os alimentos que estão na parte inferior. GAARITO 42. Uma casa tem 5 janelas, tendo cada uma vidro de área 1,5 m² e espessura 3,0 mm. A temperatura externa é 5 C e a interna é mantida a 20 C, por meio da queima de carvão. Qual a massa de carvão consumida no período de 12 h para repor o calor perdido apenas pelas janelas? Considere os seguintes dados: condutividade térmica do vidro = 0,72k cal/h.m C, e calor de combustão do carvão = 6,0. 10³ cal/g E A E C A C 1 C E A 20 C 2 A E A A E 3 C A A C 4 * * * * g g 43. k = 7,5 x 10 3 w/moc 11

12 LEITURA COMPLEMENTAR I LEITURA COMPLEMENTAR II RISAS MARÍTIMAS INVERSÃO TÉRMICA Sabendo que a água tem calor específico muito grande comparado ao de outros materiais, como, por exemplo, a terra. Isso explica a formação das brisas nas proximidades do mar. Quando o Sol nasce, passa a aquecer a terra e a água. Porém, devido ao seu alto calor específico, a água demora mais a aquecer. Assim, durante o dia a terra está mais quente que a água. Portanto, o ar quente próximo da terra sobe, abrindo espaço para o ar frio que vem da região sobre o mar (fig.. À noite a situação se inverte. Como a água demora mais a esfriarse, o ar sobre ela está mais quente que o ar sobre a terra (fig.. esse modo, o ar quente sobe, abrindo espaço para o ar frio que vem da região sobe a terra. Isso explica por que o jangadeiro tem que sair de madrugada, quando a brisa sopra da praia para o mar, e tem que voltar antes de escurecer, quando a brisa ainda sopra do mar para a praia. Hoje em dia, nas cidades, o ar está muito poluído devido à emissão de gases dos veículos e das indústrias. Nos dias quentes, o ar poluído que está mais próximo do solo (fig. está mais quente que o ar das camadas superiores. Assim, o ar poluído sobe, sendo substituído pelo ar mais frio e mais limpo que está nas camadas superiores da atmosfera (fig. ; com isso, não ocorre a convecção, de modo que a concentração dos poluentes vai aumentando. Esse efeito é chamado inversão térmica. Nas épocas de frio, dependemos das chuvas e dos ventos para dispersar os poluentes. ( dia quente: 01 > 02 ( dia frio: 01 < 02 12

13 LEITURA COMPLEMENTAR III RAIOS INFRAVERMELHOS Em determinados ambientes, especialmente quando não há ação direta do sol, é necessário que a temperatura seja maior que a externa. Para isso constrói-se um local (estuf com paredes de vidro e o chão pintado com uma cor escura. A função do chão escuro é absorver a energia radiante que provém do ambiente externo. Essa energia também é absorvida pelos objetos da estufa e, posteriormente, é irradiada sob a forma de ondas de calor, os raios infravermelhos, que não atravessam o vidro comum. O ferro de passar roupa, quando está em funcionamento, transmite calor aos corpos que o rodeiam através de raios infravermelhos. Estes também são utilizados, através de lâmpadas específicas, na cura de lesões causadas por grande esforço físico (distensões musculares, por exemplo). Em guerras, certos mísseis descobrem o alvo através dos raios infravermelhos emitidos por eles. Há certas lunetas em que os raios infravermelhos emitidos por um corpo são transformados em luz visível, possibilitando enxergar na escuridão. As previsões de temperatura e das condições climáticas pelos satélites se dão graças à detecção dos raios infravermelhos emitidos pela superfície da Terra. LEITURA COMPLEMENTAR IV O vidro comum é transparente às radiações provenientes do Sol, mas é opaco àquelas emitidas por corpos cujas temperaturas sejam muito inferiores à do Sol. O efeito estufa pode ser observado no interior de um carro estacionado ao Sol com os vidros fechados. A GARRAFA TÉRMICA A garrafa térmica não permite a transmissão de calor por nenhum dos três processos, isolando com isso o líquido colocado em seu interior. Para evitar a radiação, a parede interna é espelhada nos dois lados. O vácuo existente entre as paredes evita a condução e a convecção. essa forma, a temperatura do líquido em seu interior não se altera por um longo período. Mas, como a vedação não é perfeita, com o tempo o líquido vai esfriando ao entrar em equilíbrio térmico com o meio exterior. tampa isolante material plástico vácuo paredes espelhadas nas duas faces 13

14 LEITURA COMPLEMENTAR V ALFRE PASICKA / SCIENCE PHOTO LIRARY Substituindo a luz visível por calor, as fotografias termográficas permitem até mesmo o ar. Criadas por computadores a partir do fraco calor emitido pelos corpos, elas podem ser encontradas nos mais diferentes laboratórios, de hospitais a avançados centros de pesquisas. Ao contrário do processo fotográfico comum, que depende dos raios de luz visíveis refletidos pelos objetos, a termografia vale-se da radiação térmica emitida pelo movimento normal das moléculas que compõem os materiais. Em lugar do papel sensível à luz, termômetros especiais com gases congelados próximo ao zero absoluto, -273 oc, registram mínimas variações de temperatura. Na termografia, o claro e escuro das imagens convencionais é representado por um código de cores, definido por computadores em função das leituras ponto a ponto do termômetro. Geralmente, quanto mais quente a área lida, mas a cor tende ao vermelho. A termografia teve uma acolhida calorosa nos mais diversos campos. urante a Segunda Guerra Mundial, por exemplo, foi desenvolvido um binóculo que usa este sistema para permitir que se enxergue melhor à noite. e lá até nossos dias, muitos avanços foram realizados, inclusive na área militar. Hoje, além dos binóculos, os próprios óculos de aviadores podem ser desenvolvidos por tal sistema. No campo da Medicina as imagens termográficas servem para identificar a evolução de tumores no organismo, lembra o oncologista Flávio Franco Montoro, dono de uma das clínicas brasileiras que fazem esse tipo de exame. As células cancerosas desprendem mais calor que as saudáveis, pois são mais irrigadas de sangue. Como o sangue é quente, na termografia um trecho mais vermelho que o normal pode ser sinal de câncer. Os engenheiros mecânicos, de seu lado, descobriram na termografia um método seguro de analisar o ponto de fadiga das máquinas e estruturas. O princípio é simples: o desgaste provoca aumento na vibração e consequentemente na temperatura dos componentes metálicos. O que aconteceria se uma foto desse tipo fosse feita em casa, com leves correntes de ar? Essa é a pergunta que os técnicos franceses procuraram responder com a criação do Centro Técnico para as Indústrias Aéreas e Térmicas (Cetiart), na Universidade de Orsay, perto de Paris, onde se estuda o movimento das correntes Termografia da mão de um não fumante, de ar. mostrando a distribuição da temperatura O objetivo dos cerca de cinquenta engenheiros do centro é resolver problemas cotidianos bastante co- 14 associada a uma saudável circulação sangüínea. A área azul corresponde à região mais fria e a amarela, à mais quente. Uma termografia pode mostrar indícios da presença de doenças e anormalidades que alteram a temperatura da pele, bem como problemas de circulação, inflamações e tumores. muns, como os das secretárias que suportam correntes de ar condicionado nas costas; cozinheiras que sufocam com o vapor das panelas ou motoristas que transpiram enquanto têm os pés congelados. Os métodos de termografia laser empregados ali são considerados únicos no mundo. Para tornar o vento visível, os técnicos borrifam água próximo à fonte de ar e iluminam o local com finíssimos raios laser. A massa de ar torna-se então uma espécie de fluido colorido, cujos movimentos são gravados por uma câmara de vídeo ligada ao computador. Este analisa as diferenças de luminosidade e dispõe na tela um retrato fiel e em cores da corrente de ar. Tão certo deu a ideia que já está sendo utilizada na climatização do novo Teatro de Ópera da astilha, em Paris, e para resolver os problemas de ventilação do metrô de Caracas, na Venezuela. LEITURA COMPLEMENTAR VI O PARAOXO A TÚNICA NEGRA epois do que acabamos de dizer, parece um contrasenso que habitantes do deserto usem túnicas negras e se sintam confortáveis. Entretanto, esse fato tem uma explicação, dada pelos físicos A. Shkolnik, C. Taylor, V. Finch e A. orut, em um artigo publicado na revista inglesa Nature, em janeiro de O conforto térmico proporcionado pela túnica se deve ao fato de ela ser aberta embaixo. A túnica negra chega a atingir uma temperatura 6 C mais elevada que a atingida pela túnica branca, porém esse aquecimento do ar está sob a túnica, produzindo uma corrente de convecção para cima. Há, portanto, uma corrente de ar que entra pela parte de baixo da túnica e sai pelo tecido poroso. Essa corrente refresca o corpo.

15 LEITURA COMPLEMENTAR VII 1 - iagrama de fases do dióxido de carbono O diagrama de fases do CO2 tem alguns traços em comum com a da água: curva de sublimação, a curva de vaporização, ponto triplo, a temperatura crítica e pressão. Evidentemente, o P e os valores de T são exclusivos de dióxido de carbono. Os diagramas de fase de água e dióxido de carbono são comparados aqui. O ponto triplo da occure dióxido de carbono a uma pressão de 5,2 atm (torr 3952) e 216,6 K (-56,4 C). À temperatura de 197,5 K (-78,5 ºC), a pressão do vapor de dióxido de carbono sólido é de 1 atm (torr 760). A esta pressão, a fase líquida não é estável, o sólido sublima simplesmente. Assim, o dióxido de carbono sólido é denominado gelo seco, porque não passam por um estado líquido em sua transição de fase a pressão ambiente. A temperatura crítica para o dióxido de carbono é 31,1 C, e a pressão crítica é de 73 atm. Acima da temperatura crítica, o fluido é chamado de super-fluido crítica. Para ser mais preciso, a ponto de várias partes do diagrama de fases estão mais abaixo. No diagrama de fases de ( H2O e ( CO2, os eixos não estão em escala. Em (, para a água, observe o ponto triplo A (0,0098 C, 4,58 torr), a fusão normal (ou congelação) o ponto (0 C, 1 atm), o ponto de ebulição normal C (100 C, 1 atm), e o ponto crítico (374,4 C, 217,7 atm). Em (, o dióxido de carbono, observe o ponto triplo X (-56,4 C e 5,11 atm), o ponto Y normal sublimação (-78,5 C, 1 atm), e o ponto crítico Z (31,1 C, 73,0 atm). 2 - ilatação irregular da água A maioria das substâncias, ao ser aquecida, sofre aumento em seu volume. Outras, no entanto, ao serem aquecidas, sofrem redução em seu volume. A água é um exemplo deste comportamento irregular. Verifica-se experimentalmente que uma certa massa de água, ao ser aquecida de 0 C até 4 C, apresenta uma redução em seu volume. Após 4 C, a água se dilata normalmente. Isto ocorre porque, no estado sólido, cada molécula da água se liga a outras quatro através de pontes de hidrogênio. Isso forma uma estrutura hexagonal semelhante a um favo de mel, com lacunas entre as moléculas. Quando o gelo se funde, esta estrutura se quebra e os espaços vazios começam a ser preenchidos. A partir de 4ºC, o volume da água vai aumentando com a temperatura em consequência da maior energia cinética das moléculas. O fato de a água apresentar esse comportamento irregular é muito importante na natureza. É graças a ele que, nos países onde o inverno é rigoroso, os lagos e rios se congelam na superfície, enquanto no fundo permanece água a 4 C, que se deslocou para esta posição em virtude de sua densidade ser mais elevada nesta temperatura. 3 - Panela de pressão A água ferve normalmente a 100 ºC, ao válvula de válvula com pino nível do mar e num recipiente aberto. Qualquer segurança que seja o tempo que a água demore para ferver nessas condições, a temperatura continuará a mesma. Se você mantiver alta a chama de gás, vapor depois que a água já estiver fervendo, estará apenas desperdiçando gás. O que estiver dentro da água levará o mesmo tempo para coziágua nhar. O excesso de calor produzirá apenas a evaporação mais rápida da água. É possível, alimentos entretanto, tornar a água mais quente que 100ºC, aumentando a pressão. É o que fazem as panelas de pressão. Como são recipientes fechados, conservam o calor e a pressão aumenta. Nessas panelas, em vez de ferver a 100º C, a água (e o vapor) atinge temperaturas mais altas, cerca de 120 ºC. Evidentemente a carne, batata e feijão ou qualquer outro alimento cozinham muito mais depressa. Como o vapor exerce uma pressão considerável, as panelas possuem válvulas de segurança que funcionam quando a pressão atingir um ponto perigoso. Na figura acima você tem um esquema de uma panela de pressão: ela tem uma tampa, vedada com uma argola de borracha; no centro da tampa há uma válvula, que é mantida fechada por um pino relativamente pesado, mas que pode movimentar-se para cima, permitindo a abertura da válvula; há também uma válvula de segurança, que só abre em situações extremas, quando a válvula central estiver entupida e houver perigo de explosão. O alimento é colocado na panela, como uma certa quantidade de água. A panela é 15

16 fechada e levada ao fogo. O calor da chama aquece toda a panela, elevando a temperatura da água até que ela ferva. Como a panela é totalmente fechada, o vapor d água que se vai formando não pode dispersar e a pressão interna da panela aumenta: torna-se maior que a pressão atmosférica. O aumento da pressão faz com que a água no interior da panela entre em ebulição, a uma temperatura acima de 100º C. A pressão do vapor d água, porém, aumenta até certo limite. Superado esse limite, ela se torna suficientemente elevada para que o vapor levante o pino da válvula central e comece a sair da panela. A partir desse momento, a pressão do vapor se estabiliza porque é controlada pelo escapamento do vapor através da válvula. Em consequência, a temperatura no interior da panela também não aumenta mais. JAMES PRESCOTT JOULE ( ) A panela de pressão foi inventada pelo físico francês enis Papin, que publicou em 1861 uma descrição do equipamento, denominando-o digestor. Numa reunião de cientistas da Royal Society, Papin demonstrou que o seu invento era capaz de reduzir ossos a gelatina comestível. Atualmente, esse recipiente é empregado não só nas tarefas domésticas, mas também nos hospitais (sob a forma de autoclaves para esterilizar material cirúrgico), na indústria de papel (como digestor para cozer polpa de madeir e nas fábricas de conservas alimentícias. No cozimento da polpa de madeira, por exemplo, a pressão obtida por um digestor possibilita reduzir as lascas até que as fibras se soltem o suficiente para fabricar o papel. Nos hospitais, as altas temperaturas das autoclaves permitem esterilização mais segura. Nas fábricas de conservas, o cozimento sob pressão garante melhor preservação dos alimentos, eliminando maior número de bactérias. Fonte: 16 LEITURA COMPLEMENTAR VIII Participando da extraordinária variedade do universo, a matéria e a energia podem apresentar-se sob as mais diversas formas: um corpo em movimento está animado de energia cinética, enquanto uma mola distendida tem energia potencial; uma dinamite possui energia química; já um corpo eletricamente carregado armazena energia elétrica. Essas formas de energia podem se transformar umas nas outras: a mola distendida, ao ser liberada, ganha movimento, o que significa que sua energia potencial se converte em energia cinética. Analogamente, a energia química contida na gasolina pode ser transformada, através da queima do combustível, em energia cinética, aproveitada para movimentar um veículo. E a produção de energia elétrica nas usinas hidrelétricas aproveita a energia das quedas de água. No entanto, a ideia de que a energia se apresenta em diversas formas não surgiu espontaneamente. Até o início do século XIX, por energia entendia-se apenas energia mecânica, ou seja, cinética e potencial. E a constatação de que, na verdade, a energia cinética pode ser transformada em calor foi que abriu caminho para essa nova concepção. Quando dois corpos dotados de temperaturas diferentes são postos em contato, ambos tendem a alcançar uma temperatura de equilíbrio, situada entre os dois valores iniciais: o corpo mais quente se torna mais frio e, reciprocamente, o mais frio se aquece. urante muito tempo, explicou-se esse fenômeno atribuindo aos corpos a posse de uma substância a que se chamava calórico. Um corpo a alta temperatura conteria muito calórico, ao passo que outro a baixa temperatura conteria pouco. Assim, quando dois objetos nessas condições eram colocados em contato, o mais rico em calórico transferiria uma parte dele para o outro. Tal teoria era capaz de explicar satisfatoriamente muitos fenômenos físicos, como por exemplo a condução do calor. A ideia de que o calor é uma substância não podia, contudo, resistir às evidências em contrário que começaram a surgir no fim do século XVIII; foi, assim, substituída pela concepção de que o calor é uma forma de energia; esse feito deveu-se principalmente a enjamin Thompson, o conde Rumford. Thompson trabalhava para o govêmo da aviera, como supervisor na fabricação de canhões para o Exército. Esse trabalho era executado cavando-se um orifício no interior de um cilindro maciço de ferro. urante o processo, o ferro se aquecia, e o orifício era

17 A terceira experiência do pesquisador foi aquela que lhe trouxe fama; realizada em 1845, tornou-se clássica pela sua engenhosidade. Os resultados que permitiu alcançar eram afetados por uma incerteza de 5 %, o que, para os padrões da época, era uma excelente precisão. Joule não empregou mais que um recipiente cheio de água, um termômetro, dois corpos pesados e uma haste metálica dotada de algumas pás. Numa das extremidades da haste, havia uma carretilha. A haste era imersa na água, de modo que as pás pudessem girar livremente no interior do líquido. a carretilha, que permanecia fora do recipiente, saíam dois fios em direções opostas, cada um dos quais passando por roldanas com eixos dispostos horizontalmente. Na ponta dos fios, amarravam-se os corpos pesados. O bulbo do termômetro, imerso na água, permitia saber a temperatura. A experiência consistia tão somente em suspender os dois corpos pesados, por meio da carretilha, e depois liberá-la. Os corpos, atraídos pela Terra, caíam, fazendo a carretilha girar; esse movimento se transmitia à haste metálica, e dessa maneira as pás giravam rapidamente no interior da água. Como consequência, a temperatura do líquido se elevava, o que era acusado pelo termômetro. Sabendo a altura de queda dos corpos, Joule pôde calcular a quantidade de calor que, fornecida à água, era responsável pela elevação observada da temperatura. Chegou à conclusão que 1 caloria-grama é equivalente a 4,186 newton-metro (1 caloria-grama é a quantidade de calor necessária para elevar 1 g de água de 14,5 a 15,50 C). iz-se, então, que o equivalente mecânico do calor é 4,186 N.m/cal.g. Joule, porém, não parou aí: querendo mostrar que se obtém a mesma quantidade de calor a partir de uma dada quantidade de energia, não importando a maneira como ela é produzida, levou adiante outras experiências, todas elas conduzindo ao mesmo resultado. A agitação do mercúrio, o atrito de anéis de ferro em banhos de mercúrio ou a transformação de energia elétrica em calor num fio imerso em água sempre levavam à mesma proporcionalidade entre as formas de energia. Após a morte do cientista, em 1889, resolveu-se atribuir ao newton-metro a unidade de energia mecânica no sistema MKS o nome de joule. Ficava assim perpetuada a homenagem a um dos que mais ajudaram a estabelecer o princípio da conservação da energia. então mantido cheio de água. Mas a água fervia, precisando ser periodicamente substituída; ora, na época aceitava-se a hipótese de que, para fazer a água ferver, era necessário fornecer-lhe calórico. Portanto, segundo as concepções vigentes, havia uma transferência aparentemente ininterrupta de calórico do ferro para a água. Tentava-se explicar o fato pela hipótese de que, quanto mais finamente dividido um material, menor sua capacidade em reter calórico. Thompson, porém, observou que a água fervia mesmo depois que as ferramentas perdiam seu corte, e não mais eram capazes de subdividir o metal do canhão. Além disso, esse mecanismo não obedecia a um princípio que justifica a aceitação de muitas ideias abstratas em física: o princípio da conservação. e fato, neste caso havia duas quantidades que não se conservavam: a energia mecânica, que devia ser continuamente despendida, e o calórico, que era incessantemente criado. Após realizar uma série de experiências e tentar explicálas a partir da teoria do calórico, Thompson resolveu tentar outro caminho. Em 1798, comunicou à Royal Society inglesa que"... raciocinando sobre esse assunto, não devemos nos esquecer de considerar circunstância mais notável, ou seja, a de que a fonte de calor gerado por atrito, nessas experiências, era visivelmente inexaurível... parece ser extremamente difícil, se não realmente impossível, formar uma ideia definida de alguma coisa capaz de ser excitada e transmitida na maneira pela qual o calor era excitado e transmitido nessas experiências, a menos que essa coisa seja movimento". Isso contribuiu para derrubar a teoria do calórico, ao mesmo tempo que lançou o conceito de que o trabalho mecânico é o verdadeiro responsável pelo aparecimento do calor no ato de furar os canhões. A nova teoria só foi plenamente desenvolvida anos mais tarde, graças a trabalhos de Julius Robert von Meyer, Hermann von Helmholtz, L. A. Colding, e James Prescott Joule. Joule, um industrial inglês nascido 24 de dezembro de 1818, dedicava-se à física como passatempo. Obcecado pelas experiências bem feitas e pelas medidas precisas, realizou uma série de observações sobre o calor e seus efeitos. E foi no decorrer dessas pesquisas que estabeleceu o princípio da conservação da energia, em bases mais sólidas. O principal feito de Joule consistiu em medir a quantidade de calor que se produz quando uma dada quantidade de energia se transforma. Isso foi feito através de três experiências. Na primeira delas, um ímã em ferradura era colocado no interior de um recipiente cheio de água; um pequeno eletroímã, disposto entre os dois braços da ferradura, recebia corrente elétrica. A rotação do dispositivo fazia a temperatura da água elevar-se, e então era possível, a partir da corrente elétrica que percorria o circuito, calcular a quantidade de energia mecânica de rotação do eletroímã que se transformava em calor. Na segunda experiência, Joule fez a água passar através de tubos capilares. O atrito do líquido com o vidro dos capilares causava o aumento da temperatura do sistema. Esse acréscimo, comparado com a energia gasta no fornecimento de água ao capilar, correspondia à quantidade de calor produzida. Joule realizou ainda uma variante dessa experiência, substituindo a água por vários gases diferentes, melhorando assim a precisão de suas conclusões. Fonte: ufsm.br/petfisica 17

18 SELEÇÃO ENEM 01. A panela de pressão permite que os alimentos sejam cozidos em água muito mais rapidamente do que em panelas convencionais. Sua tampa possui uma borracha de vedação que não deixa o vapor escapar, a não ser através de um orifício central sobre o qual assenta um peso que controla a pressão. Quando em uso, desenvolve-se uma pressão elevada no seu interior. Para a sua operação segura, é necessário observar a limpeza do orifício central e a existência de uma válvula de segurança, normalmente situada na tampa. O esquema da panela de pressão e um diagrama de fase da água são apresentados abaixo. 03. O resultado da conversão direta de energia solar é uma das várias formas de energia alternativa de que se dispõe. O aquecimento solar é obtido por uma placa escura coberta por vidro, pela qual passa um tubo contendo água. A água circula, conforme mostra o esquema abaixo. Fonte: Adaptado de PALZ, Wolfgang, "Energia solar e fontes alternativas". Hemus, São feitas as seguintes afirmações quanto aos materiais utilizados no aquecedor solar: I. o reservatório de água quente deve ser metálico para conduzir melhor o calor. II. a cobertura de vidro tem como função reter melhor o calor, de forma semelhante ao que ocorre em uma estufa. III. a placa utilizada é escura para absorver melhor a energia radiante do Sol, aquecendo a água com maior eficiência. entre as afirmações acima, pode-se dizer que apenas está(ão) correta(s): I I e II II A vantagem do uso de panela de pressão é a rapidez para o cozimento de alimentos e isto se deve: à pressão no seu interior, que é igual à pressão externa. à temperatura de seu interior, que está acima da temperatura de ebulição da água no local. à quantidade de calor adicional que é transferida à panela. à quantidade de vapor que está sendo liberada pela válvula. à espessura da sua parede, que é maior que a das panelas comuns. 02. Se, por economia, abaixarmos o fogo sob uma panela de pressão logo que se inicia a saída de vapor pela válvula, de forma simplesmente a manter a fervura, o tempo de cozimento 18 será maior porque a panela esfria. será menor, pois diminui a perda de água. será maior, pois a pressão diminui. será maior, pois a evaporação diminui. não será alterado, pois a temperatura não varia. I e III II e III 04. Uma garrafa de vidro e uma lata de alumínio, cada uma contendo 330mL de refrigerante, são mantidas em um refrigerador pelo mesmo longo período de tempo. Ao retirá-las do refrigerador com as mãos desprotegidas, tem-se a sensação de que a lata está mais fria que a garrafa. É correto afirmar que: a lata está realmente mais fria, pois a capacidade calorífica da garrafa é maior que a da lata. a lata está de fato menos fria que a garrafa, pois o vidro possui condutividade menor que o alumínio. a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, possuem a mesma condutividade térmica, e a sensação deve-se à diferença nos calores específicos. a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, e a sensação é devido ao fato de a condutividade térmica do alumínio ser maior que a do vidro. a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, e a sensação é devido ao fato de a condutividade térmica do vidro ser maior que a do alumínio.

19 05. 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). Como a água leva mais tempo para esquentar (de di, mas também leva mais tempo para esfriar (à noit, no fenômeno noturno (brisa terrestr pode ser explicado da seguinte maneira: 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. O ar mais quente desce e se desloca do continente para a água, a qual não conseguiu reter calor durante o dia. 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. O ar que está sobre a água se esfria, criando um centro de alta pressão que atrai massas de ar continental. O ar sobre o solo, mais quente, é deslocado para o mar, equilibrando a baixa temperatura do ar que está sobre o mar. 06. (ENEM/2006) A Terra é cercada pelo vácuo espacial e, assim, ela só perde energia ao irradiá-la para o espaço. O aquecimento global que se verifica hoje decorre de pequeno desequilíbrio energético, de cerca de 0,3%, entre a energia que a Terra recebe do Sol e a energia irradiada a cada segundo, algo em torno de 1W/m². Isso significa que a Terra acumula, anualmente, cerca de 1, J. Considere que a energia necessária para transformar 1kg de gelo a 0 C em água líquida seja igual a 3,2 105 J. Se toda a energia acumulada anualmente fosse usada para derreter o gelo nos polos (a 0 C), a quantidade de gelo derretida anualmente, em trilhões de toneladas, estaria entre: 20 e e e e e 120. Nesse sistema de aquecimento, os tanques, por serem de cor preta, são maus absorvedores de calor e reduzem as perdas de energia. a cobertura de vidro deixa passar a energia luminosa e reduz a perda de energia térmica utilizada para o aquecimento. a água circula devido à variação de energia luminosa existente entre os pontos X e Y. a camada refletiva tem como função armazenar energia luminosa. o vidro, por ser bom condutor de calor, permite que se mantenha constante a temperatura no interior da caixa. À noite, ocorre um processo inverso ao que se verifica durante o dia 07. O uso mais popular de energia solar está associado ao fornecimento de água quente para fins domésticos. Na figura a seguir, é ilustrado um aquecedor de água constituído de dois tanques pretos dentro de uma caixa termicamente isolada e com cobertura de vidro, os quais absorvem energia solar. 08. Sob pressão normal (ao nível do mar), a água entra em ebulição à temperatura de 100 C. Tendo por base essa informação, um garoto residente em uma cidade litorânea fez a seguinte experiência: Colocou uma caneca metálica contendo água no fogareiro do fogão de sua casa. Quando a água começou a ferver, encostou cuidadosamente a extremidade mais estreita de uma seringa de injeção, desprovida de agulha, na superfície do líquido e, erguendo o êmbolo da seringa, aspirou certa quantidade de água para seu interior, tapando-a em seguida. Verificando após alguns instantes que a água da seringa havia parado de ferver, ele ergueu o êmbolo da seringa, constatando, intrigado, que a água voltou a ferver após um pequeno deslocamento do êmbolo. Considerando o procedimento anterior, a água volta a ferver porque esse deslocamento permite a entrada de calor do ambiente externo para o interior da seringa. provoca, por atrito, um aquecimento da água contida na seringa. produz um aumento de volume que aumenta o ponto de ebulição da água. proporciona uma queda de pressão no interior da seringa que diminui o ponto de ebulição da água. possibilita uma diminuição da densidade da água que facilita sua ebulição. 19

20 09. O Sol representa uma fonte limpa e inesgotável de energia para o nosso planeta. Essa energia pode ser captada por aquecedores solares, armazenada e convertida posteriormente em trabalho útil. Considere determinada região cuja insolação - potência solar incidente na superfície da Terra - seja de 800 watts/m².uma usina termossolar utiliza concentradores solares parabólicos que chegam a dezenas de quilômetros de extensão. Nesses coletores solares parabólicos, a luz refletida pela superfície parabólica espelhada é focalizada em um receptor em forma de cano e aquece o óleo contido em seu interior a 400 C. O calor desse óleo é transferido para a água, vaporizando-a em uma caldeira. O vapor em alta pressão movimenta uma turbina acoplada a um gerador de energia elétrica. limpa de energia, contribuindo para minimizar os efeitos deste fenômeno. eficaz de energia, tomando-se o percentual de oferta e os benefícios verificados. limpa de energia, não afetando ou alterando os níveis dos gases do efeito estufa. poluidora, colaborando com níveis altos de gases de efeito estufa em função de seu potencial de oferta. alternativa, tomando-se por referência a grande emissão de gases de efeito estufa das demais fontes geradoras. 11. Considerando que a distância entre a borda inferior e a borda superior da superfície refletora tenha 6 m de largura e que focaliza no receptor os 800 watts/m² de radiação provenientes do Sol, e que o calor específico da água é 1 cal g 1 ºC 1 = J kg 1ºC 1, então o comprimento linear do refletor parabólico necessário para elevar a temperatura de 1 m³ (equivalente a 1 t) de água de 20 C para 100 C, em uma hora, estará entre: 15 m e 21 m. 22 m e 30 m. 105 m e 125 m. 680 m e 710 m m e m. 10. Segundo dados do alanço Energético Nacional de 2008, do Ministério das Minas e Energia, a matriz energética brasileira é composta por hidrelétrica (80%), termelétrica (19,9%) e eólica (0,1%). Nas termelétricas, esse percentual é dividido conforme o combustível usado, sendo: gás natural (6,6%), biomassa (5,3%), derivados de petróleo (3,3%), energia nuclear (3,1%) e carvão mineral (1,6%). Com a geração de eletricidade da biomassa, pode-se considerar que ocorre uma compensação do carbono liberado na queima do material vegetal pela absorção desse elemento no crescimento das plantas. Entretanto, estudos indicam que as emissões de metano (CH4) das hidrelétricas podem ser comparáveis às emissões de CO2 das termelétricas. MORET, A. S.; FERREIRA, I. A. As hidrelétricas do Rio Madeira e os impactos socioambientais da eletrificação no rasil. Revista Ciência Hoje. V. 45, n. 265, 2009 (adaptado). No rasil, em termos do impacto das fontes de energia no crescimento do efeito estufa, quanto à emissão de gases, as hidrelétricas seriam consideradas como uma fonte 20 e acordo com o relatório A grande sombra da pecuária (Livestock s Long Shadow), feito pela Organização das Nações Unidas para a Agricultura e a Alimentação, o gado é responsável por cerca de 18% do aquecimento global, uma contribuição maior que a do setor de transportes. isponível em: Acesso em: 22 jun A criação de gado em larga escala contribui para o aquecimento global por meio da emissão de: metano durante o processo de digestão. óxido nitroso durante o processo de ruminação. clorofluorcarbono durante o transporte da carne. óxido nitroso durante o processo respiratório. dióxido de enxofre durante o consumo de pastagens. GAARITO E E A 1 A