SUMÁRIO FÍSICA TEMPERATURA E CALOR 3 CELSIUS E FAHRENHEIT 5 KELVIN E CELSIUS 6 EXERCÍCIOS DE COMBATE 8 GABARITO 13

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2 SUMÁRIO TEMPERATURA E CALOR 3 CELSIUS E FAHRENHEIT 5 KELVIN E CELSIUS 6 EXERCÍCIOS DE COMBATE 8 GABARITO 13 2

3 TEMPERATURA E CALOR Vamos iniciar nossos estudos com a diferenciação dessas duas grandezas físicas escalares, temperatura e calor. Temperatura é a medida de agitação de átomos e moléculas. Quanto maior a velocidade de translação das moléculas, maior será a temperatura da substância. Quando, em um sistema, há dois corpos com diferentes temperaturas, haverá transferência de energia, do corpo com maior temperatura para o corpo com menor temperatura. Essa energia é o calor. A transferência cessa quando não há mais diferença de temperatura. Nesse momento, podemos dizer que o sistema alcançou o equilíbrio térmico. Se três sistemas apresentam-se isolados de qualquer outro universo externo, e, dois sistemas consecutivos estiverem em equilíbrio térmico com o terceiro, então os dois sistemas consecutivos estarão em equilíbrio térmico entre si. Essa é a Lei Zero da Termodinâmica. O instrumento que mede a temperatura de uma substância (em nível macroscópico) é o termômetro. O 1º termômetro foi inventado por Galileu, no final do século XVI. Eram chamados de termoscópios. Quando a temperatura aumentava, o líquido subia. Quando diminuía, o líquido descia. Então, para medir essas variações de temperatura dos dias, por exemplo, bastava fazer marcações equidistantes no tubo. 3

4 Os termômetros usados hoje em dia para medir a temperatura do corpo de uma pessoa é um termoscópio graduado em uma escala termométrica (graus Celsius, por exemplo), constituído por um tubo capilar de vidro, fechado a vácuo, e um bulbo, contendo mercúrio. O mercúrio é ideal para essa função porque é o único metal líquido na temperatura ambiente. Por ser metal, tem boa condução de calor, sofrendo dilatação 1 em um curto intervalo de tempo. O bulbo do termômetro também é feito de metal, para que a transferência de calor do corpo para o termômetro seja feita rapidamente, e, em poucos minutos, ocorra o equilíbrio térmico. Assim, a temperatura do termômetro é a mesma do corpo. Existem várias escalas termométricas. As mais famosas são: Celsius, Fahrenheit e Kelvin. Os pontos fixos das escalas serão as temperaturas de fusão e de ebulição da água, no nível do mar. A escala Fahrenheit é usada nos EUA, por exemplo. Já a escala Kelvin, usada no S.I., foi desenvolvida pelo físico irlandês William Thomson (Lorde Kelvin) chegou à conclusão de que havia uma temperatura mínima possível, que recebeu o nome de zero absoluto (0 K, lê-se zero Kelvin, e não zero grau Kelvin) e seria atingida quando todas as partículas de um corpo estivessem imóveis 2. Em 1925, Einstein e Bose previram que certo tipo de partículas, chamadas de bósons, quando submetidas a baixas temperaturas (próximas de 0K), formariam um novo estado da matéria (como sólido, líquido e gasoso). O primeiro condensado de bósons foi produzido em um laboratório na Universidade do Colorado, em A temperatura chegou na ordem de 10 7 K. Esse novo estado da matéria ficou conhecido como condensado de Bose-Einstein. 1 Vamos estudar no próximo módulo esse fenômeno. Adiantando, quando um corpo sofre uma variação de temperatura, suas dimensões variam. 2 Com o avanço da física podemos descobrir que, mesmo a 0K, os átomos ainda tem um nível mínimo de energia, bem conhecido. Conforme a temperatura se aproxima desse valor fica cada vez mais difícil extrair a sua energia.o 0K é uma idealização. 4

5 Voltando às escalas, temos que saber como podemos saber como transformar a leitura de uma escala para outra. CELSIUS E FAHRENHEIT Podemos ver, através das escalas, que 32 F equivalem a 0 C e que 212 F equivalem a 100 C. Podemos, então, fazer um gráfico F x C. 32 = a0 + b 212 = a100 + b Na 1ª equação, podemos tirar que b=32, então: a 32 a Logo: 9C C F 32 F 32 ou

6 O coeficiente angular mede a variação em graus Fahrenheit em relação à variação em graus Celsius: F 9 F a F 1,8 C C 5 C KELVIN E CELSIUS Essa relação é mais simples. Note que, na escala Kelvin, os valores são 273 a mais que na escala em graus Celsius. Então: C K 273 Perceba que a variação na escala Kelvin é a mesma que na escala Celsius, ou seja, = K. Note também que 0K equivale a 273 C. EXEMPLOS: 1. 86K equivale a qual valor na escala Celsius? RESOLUÇÃO: C F 32 C C 30 C Uma pessoa está com febre. Sua temperatura variou 2 C. Qual seria essa variação em F e em K? RESOLUÇÃO: F 1,8 C F 1,8. 2 3,6 F C K K 2K 6

7 3. Em certa escala X, a água, no nível do mar, sofre fusão a temperatura de 20 X e sofre ebulição a 80 X. Qual o valor numérico de 68 X na escala C? RESOLUÇÃO: Temos que: 20 = a0 + b 80 = a100 + b Logo: a 20 a 0,6 X 0,6C ,6C 20 C 80 C 7

8 1. (AFA 2013) Dois termômetros idênticos, cuja substância termométrica é o álcool etílico, um deles graduado na escala Celsius e o outro graduado na escala Fahrenheit, estão sendo usados simultaneamente por um aluno para medir a temperatura de um mesmo sistema físico no laboratório de sua escola. Nessas condições, pode-se afirmar corretamente que a) os dois termômetros nunca registrarão valores numéricos iguais. b) a unidade de medida do termômetro graduado na escala Celsius é 1,8 vezes maior que a da escala Fahrenheit. c) a altura da coluna líquida será igual nos dois termômetros, porém com valores numéricos sempre diferentes. d) a altura da coluna líquida será diferente nos dois termômetros. 2. (MACKENZIE 2010) Um termômetro graduado na escala Celsius ( C) é colocado juntamente com dois outros, graduados nas escalas arbitrárias A ( A) e B ( B), em uma vasilha contendo gelo (água no estado sólido) em ponto de fusão, ao nível do mar. Em seguida, ainda ao nível do mar, os mesmos termômetros são colocados em uma outra vasilha, contendo água em ebulição, até atingirem o equilíbrio térmico. As medidas das temperaturas, em cada uma das experiências, estão indicadas nas figuras 1 e 2, respectivamente. 8

9 Para uma outra situação, na qual o termômetro graduado na escala A indica 17 A, o termômetro graduado na escala B e o graduado na escala Celsius indicarão, respectivamente, a) 0 B e 7 C b) 0 B e 10 C c) 10 B e 17 C d) 10 B e 27 C e) 17 B e 10 C 3. (MACKENZIE 2003) Os termômetros são instrumentos utilizados para efetuarmos medidas de temperaturas. Os mais comuns se baseiam na variação de volume sofrida por um líquido considerado ideal, contido num tubo de vidro cuja dilatação é desprezada. Num termômetro em que se utiliza mercúrio, vemos que a coluna desse líquido "sobe" cerca de 2,7 cm para um aquecimento de 3,6 C. Se a escala termométrica fosse a Fahrenheit, para um aquecimento de 3,6 F, a coluna de mercúrio "subiria": a) 11,8 cm b) 3,6 cm c) 2,7 cm d) 1,8 cm e) 1,5 cm 4. (Mackenzie 1999) Num determinado trabalho, cria-se uma escala termométrica X utilizando as temperaturas de fusão ( 30 C) e de ebulição (130 C) de uma substância, como sendo 0 X e 80 X, respectivamente. Ao medir a temperatura de um ambiente com um termômetro graduado nessa escala, obtivemos o valor 26 X. Essa temperatura na escala Celsius corresponde a: a) 14 C b) 18 C c) 22 C d) 28 C e) 41 C 5. (Mackenzie 1999) As escalas termométricas constituem um modelo pelo qual se traduz quantitativamente a temperatura de um corpo. Atualmente, além da escala adotada pelo SI, ou seja, a escala Kelvin, popularmente são muito utilizadas a escala Celsius e a Fahrenheit. A temperatura, cuja indicação na escala Kelvin é igual à da escala Fahrenheit, corresponde na escala Celsius a: a) 40 C b) 233 C c) 313 C d) 301,25 C e) 574,25 C 9

10 6. (MACKENZIE 1998) No dia 1 de janeiro de 1997, Chicago amanheceu com temperatura de 5 F. Essa temperatura, na escala Celsius corresponde a: a) 8 C b) 2 C c) 25 C d) 10 C e) 15 C 7. (MACKENZIE 1998) Para se medir a temperatura de um certo corpo, utilizou-se um termômetro graduado na escala Fahrenheit e o valor obtido correspondeu a 4/5 da indicação de um termômetro graduado na escala Celsius, para o mesmo estado térmico. Se a escala adotada tivesse sido a Kelvin, esta temperatura seria indicada por: a) 25,6 K b) 32 K c) 241 K d) 273 K e) 305 K 8. (MACKENZIE 1997) Relativamente à temperatura 300 C (trezentos graus Celsius negativos), pode-se afirmar que a mesma é: a) uma temperatura inatingível em quaisquer condições e em qualquer ponto do Universo. b) a temperatura de vaporização do hidrogênio sob pressão normal, pois, abaixo dela, este elemento se encontra no estado líquido. c) a temperatura mais baixa conseguida até hoje em laboratório. d) a temperatura média de inverno nas regiões mais frias da Terra. e) a menor temperatura que um corpo pode atingir quando o mesmo está sujeito a uma pressão de 273 atm. 9. (MACKENZIE 1997) O coeficiente de dilatação linear de certo material é 3, C 1. Utilizando como unidade de temperatura o F (grau Fahrenheit), então o valor do coeficiente de dilatação linear desse material será: a) 6, F 1 b) 5, F 1 c) 4, F 1 d) 3, F 1 e) 2, F 1 10

11 10. (MACKENZIE 1996) Um pesquisador verifica que uma certa temperatura obtida na escala Kelvin é igual ao correspondente valor na escala Fahrenheit acrescido de 145 unidades. Esta temperatura na escala Celsius é: a) 55 C. b) 60 C. c) 100 C. d) 120 C. e) 248 C. 11. (MACKENZIE 1996) Um turista brasileiro sente-se mal durante a viagem e é levado inconsciente a um hospital. Após recuperar os sentidos, sem saber em que local estava, é informado que a temperatura de seu corpo atingira 104 graus, mas que já "caíra" de 5,4 graus. Passado o susto, percebeu que a escala termométrica utilizada era a Fahrenheit. Desta forma, na escala Celsius, a queda de temperatura de seu corpo foi de: a) 1,8 C b) 3,0 C c) 5,4 C d) 6,0 C e) 10,8 C 12. (MACKENZIE 1996) Um turista, ao descer no aeroporto de Nova Yorque, viu um termômetro marcando 68 F. Fazendo algumas contas, esse turista verificou que essa temperatura era igual à de São Paulo, quando embarcara. A temperatura de São Paulo, no momento de seu embarque, era de: a) 10 C b) 15 C c) 20 C d) 25 C e) 28 C 13. (MACKENZIE 1996) Em dois termômetros distintos, a escala termométrica utilizada é a Celsius, porém um deles está com defeito. Enquanto o termômetro A assinala 74 C, o termômetro B assinala 70 C e quando o termômetro A assinala 22 C, o B assinala 20 C. Apesar disto, ambos possuem uma temperatura em que o valor medido é idêntico. Este valor corresponde, na escala Kelvin, a: a) 293 K b) 273 K c) 253 K d) 243 K e) 223 K 11

12 14. (MACKENZIE 1996) A temperatura, cuja indicação na escala Fahrenheit é 5 vezes maior que a da escala Celsius, é: a) 50 C b) 40 C c) 30 C d) 20 C e) 10 C 12

13 1. RESPOSTA: B 2. RESPOSTA: B 3. RESPOSTA: E 4. RESPOSTA: C 5. RESPOSTA: D 6. RESPOSTA: E 7. RESPOSTA: C 8. RESPOSTA: A 9. RESPOSTA: E 10. RESPOSTA: D 13

14 11. RESPOSTA: B 12. RESPOSTA: C 13. RESPOSTA: D 14. RESPOSTA: E 14