Estudo do Meio Físico-Natural I P06 - Termodinâmica 1 Objectivo Realizar várias experiências relacionadas com termodinâmica. 2 Quente ou frio? Nesta experiência vamos ver que o conceito de temperatura pode ser subjectivo. 2.1 Material Recipientes para colocar água (tigelas, panelas ou similares), água com três temperaturas diferentes (água quente, água à temperatura ambiente e água fria). 2.2 Procedimento 1. Prepare três tigelas ou panelas. 2. Encha até cerca de metade uma das tigelas com água quente (mas não tão quente que possa queimar-se). 3. Coloque água morna no segundo. 4. Despeje a água fria no terceiro. 5. Coloque-as lado a lado, com a tigela com água morna, no centro. 6. Coloque uma das suas mãos na água quente e a outra mão na água fria. Mantenha a mão dentro das águas por cerca de 1 minuto. 7. Retira as mãos dos recipientes com água, sacuda rapidamente a água e coloque ambas as mãos na tigela do meio (a tigela com a água à temperatura ambiente). O que é que sente relativamente à temperatura em cada uma das mãos? 2.3 Observação pretendida Você irá sentir frio na mão que tinha sido colocada na tigela com água quente e irá sentir calor na mão que tinha sido colocada na água fria. 2.4 Explicação Quando você coloca as mãos na tigela do centro, a mão que esteve mergulhada na taça com água quente irá sentir uma perda de calor, ou seja, um pouco de calor irá deixar a mão e vai aquecer a água, e assim você irá sentir uma perda de calor na sua mão. A mão que esteve mergulhada na taça com água fria irá sentir um ganho de calor, i.e. irá sentir a sua mão quente. 3 Encher um balão com o aquecimento do ar 3.1 Material Garrafa, balão, banho termostático. 1 / 5
3.2 Procedimento 1. Ajuste o balão por forma a que tape o gargalo da garrafa. 2. Coloque as mão à volta da garrafa durante algum tempo (pelo menos mais do que 1 min) e veja o que acontece ao balão. 3. Repita o procedimento mas desta vez coloque a garrafa dentro do banho termostático em vez de usar as suas mãos como fonte de calor. 3.3 Observação pretendida O balão comecerá a encher. 3.4 Explicação À medida que adicionamos calor ao ar que se encontra dentro da garrafa, as moléculas do ar contido na garrafa tenderão a mover-se mais rapidamente e com maiores colisões resultando numa expansão do ar. Essa expansão é que faz com que o balão encha. 4 Termómetro caseiro Com esta expriência pretende-se ilustrar o princípio de funcionamento de um termómetro. 4.1 Material Garrafa de vidro (ou garrafa PET) com tampa ou rolha, massa para moldar (plasticina) ou bostik (blu-tack), palhinha, utensílio perfurante, água, corante (opcional). 4.2 Procedimento 1. Perfure a rolha (ou tampa) da garrafa e faça passar a palhina pelo orifício. 2. Encha a garrafa até cerca de metade com água à temperatura ambiente. 3. No caso de ter corante coloque um pouco na água da garrafa e misture. 4. Coloque a rolha (ou tampa) e feche a garrafa por forma a que a palhinha esteja em contacto com a água mas sem tocar na base da garrafa. 5. Use a plasticina ou bostik para selar a tampa da garrafa e para fixar a palhinha no orifício. 6. Coloque as suas mãos na parte de cima da garrafa (a parte que não tem água). 2 / 5
4.3 Observação pretendida Com o aumento da temperatura em torno da garrafa o nível de água na palhinha deve subir. 4.4 Explicação O calor das nossas mãos aquece o ar que se encontra dentro da garrafa. O ar ao ser aquecido irá expandir e irá empurrar a água para fora da garrafa (fazendo com que a água suba pela palhinha acima). Nota: Os termómetros de mercúrio antigos (que antigamente eram muito usados para ver se uma pessoa tinha febre) funcionam de forma diferente. O líquido nesses termómetros é que expande ao ser aquecido, provocando a subida do nível de mercúrio. O termómetro que nós criámos baseia-se na dilatação do gás em vez de se basear na dilatação do líquido tal como nos termómetros de mercúrio. 5 O balão que não rebenta Nesta experiência pretende-se observar que a presença de água pode evitar que um balão rebente. 5.1 Material Balão, vela ou aquecedor de gás butano, isqueiro ou fósforos, água. 5.2 Procedimento 1. Coloque um pouco de água dentro de um balão. 2. Encha o balão com ar e dê um nó. 3. Coloque o balão em cima da chama de uma vela ou aquecedor de gás butano, por forma a que água que se encontra dentro do balão esteja por cima da zona da chama. 5.3 Observação pretendida O balão ao contrário do que se podia esperar não rebenta facilmente. 5.4 Explicação A colocação de água dentro do balão faz com que a água absorva o calor. Isto impede que o balão derreta. 6 Retirar uma moeda de um prato com água sem molhar os dedos Pretende-se com esta experiência retirar uma moeda que se encontra imersa num prato com água sem molhar os dedos. 6.1 Material Prato raso, moeda, água, copo de vidro (ou semelhante), fósforo e bostik (ou uma vela). 3 / 5
6.2 Procedimento 1. Coloque uma moeda num prato (perto de uma das extremidades). 2. Coloque um fina camada de água no prato, por forma a que a moeda fique totalmente submersa. 3. Coloque o fósforo no prato com o bostik a servir de suporte. 4. Acenda o fósforo e coloque imediatamente o copo de pernas para o ar a tapar o fósforo e com as bordas do copo assentes no fundo do prato raso (i.e., o copo irá delimitar um volume bem definido). 6.3 Observação pretendida A água irá subir pelo copo acima e manter-se-á dentro do copo mesmo depois do fósforo se extinguir. 6.4 Explicação O fósforo irá aquecer o ar dentro do copo. Este ar quente irá expandir-se além do copo. Quando o copo é colocado na água, o fósforo irá consumir a maior parte do oxigénio presente no volume do copo (durante este processo irá ser criado CO 2 ). Quando a maior parte do oxigénio tiver sido consumido o fósforo irá extinguir-se. Após a extinção do fósforo (que é a nossa fonte de calor), o ar dentro do copo irá arrefecer provocando uma diminuição da pressão dentro do copo. Isto fará com que a água suba para dentro do copo já que a pressão é maior no exterior. Isto é semelhante ao que acontece num aspirador quando a poeira é aspirada para dentro do aspirador em resultado da pressão dentro ser menor do que a pressão no exterior. 7 Correntes de convecção Nesta demonstração iremos ver como o aquecimento de um líquido provoca o aparecimento de correntes de convecção. 7.1 Material Tubo de vidro, corante e água, aquecedor de gás butano e isqueiro (ou uma vela em alternativa), suporte universal e garras. 7.2 Procedimento 1. Monte os materiais de acordo com a figura. 2. Coloque água à temperatura ambiente dentro do tubo de vidro. 4 / 5
3. Adicione um pouco de corante à água. 4. Acenda o aquecedor de gás butano e aguarde um pouco. 5. Registe o que observa. 6. Coloque o aquecedor de gás butano na outra extremidade inferior do tubo de vidro. 7. Registe o que observa. 8. Indique algumas situações onde o fenómeno da convecção pode ser observado no dia-a-dia. 7.3 Observação pretendida O aquecimento do líquido provocará o aparecimento de correntes de convecção. 7.4 Explicação Adaptado de: Rómulo de Carvalho, A física no dia-a-dia, pp 297-298, Relógio d água. Quando se aquece a água na região de baixo, junto do fundo de uma panela, o calor não se vai comunicando às sucessivas camadas de líquido que podemos imaginar umas sobre as outras. Se for metal que se aqueça, está bem. É assim que sucede. O calor vai-se comunicando por ele fora, a partir do lugar do aquecimento. Com a água, porém, não é assim. Porque a água, como todos os líquidos, é móvel. Quando se aquece a parte debaixo do líquido, essa camada fica mais leve do que todo o resto, e então sobe e passa para cima. Entretanto já vem outra camada debaixo mais quente, que faz o mesmo. Sobe e passa para cima. E assim vai continuando. É claro que as que vão de baixo para cima obrigam as de cima a virem para baixo, de modo que, quando se aquece a água, formam-se dentro da panela, ou da cafeteira, ou do que for, correntes do próprio líquido, que circulam subindo e descendo e que, dessa maneira, vão comunicando o calor a toda a água. Nada disto poderia acontecer, evidentemente, com uma matéria sólida. Na figura que se segue as setas pretendem ilustrar o sentido de circulação das correntes de convecção. 5 / 5