(Parte 1 de 2)

GREF Física TØrmica.

versªo pr eliminar

para ler, fazer e pensar

leituras de física

01. Calor, Presença Universal. 02. Esquentando os motores e preparando a rota. 03. Medidas de temperatura. 04. Controle de temperatura. 05. Calculando a dilataçªo.

Leituras de Física Ø uma publicaçªo do

GREF - Grupo de Reelaboraçªo do Ensino de Física Instituto de Física da USP

Anna Cecília Copelli Carlos Toscano Dorival Rodrigues Teixeira Isilda Sampaio Silva Jairo Alves Pereira Joªo Martins Luís Carlos de Menezes (coordenador) Luís Paulo de Carvalho Piassi Suely Baldin Pelaes Wilton da Silva Dias Yassuko Hosoume (coordenadora)

ILUSTRA˙ÕES: Fernando Chuí de Menezes

MÆrio Kano

GREF - Instituto de Física da USP rua do Matªo, travessa R, 187 Edifício Principal, Ala 2, sala 305 05508-900 Sªo Paulo - SP fone: (011) 818-7011fax:(011) 818-7057 financiamento e apoio: ConvŒnio USP/MEC-FNDE

Sub-programa de educaçªo para as CiŒncias (CAPES-MEC) FAPESP / MEC - Programa Pró-CiŒncia Secretaria da Educaçªo do Estado de Sªo Paulo - CENP

A reproduçªo deste material Ø permitida, desde que observadas as seguintes condiçıes: 1. Esta pÆgina deve estar presente em todas as cópias impressas ou eletrônicas. 2. Nenhuma alteraçªo, exclusªo ou acrØscimo de qualquer espØcie podem ser efetuados no material. 3. As cópias impressas ou eletrônicas nªo podem ser utilizadas com fins comerciais de qualquer espØcie.

junho de 1998

Nªo hÆ nada, na Natureza ou nas

TØcnicas, que nªo tenha a ver com o calor

Calor, Presença Universal

Se alguma coisa dÆ a impressªo de nªo ter nada a ver com a idØia de calor...

Ø só impressªo!

01Calor, Presença Universal

Todas as coisas recebem e cedem calor o tempo todo. Quando esta troca Ø equilibrada, se diz que elas estªo em equilíbrio tØrmico. Quando cedem mais do que recebem, ou vice-versa, Ø porque estªo mais quentes ou mais frias que seu ambiente.

Portanto... tudo tem a ver com o calor...

mesmo que nªo pareça!

Geladeiras ou regiıes geladas do planeta tem tanto a ver com o calor quanto fornos ou desertos:

Por falar em sol, quando a gente olha pro cØu, numa noite de inverno, vendo aquelas estrelinhas que parecem minœsculos cristais, perdidos na noite fria...

pode achar difícil acreditar que cada estrelinha

daquela Ø um quentíssimo sol, cuja luz viajou milhıes de anos pra chegar atØ nós. Se houver planetas em torno delas, quem sabe se nªo haverÆ vida em seu sistema solar...

Quando tentamos pensar em alguma coisa que "nªo tem nada a ver com o calor" Ø natural, por oposiçªo, pensar em algo frio. Na realidade, quando se diz que um objeto estÆ frio, Ø porque estÆ menos quente que o ambiente à sua volta, ou porque estÆ menos quente do que a mªo que tateia o objeto.

Como veremos, a percepçªo de que alguma coisa "Ø fria" estÆ associada a ela estar tomando calor do ambiente ou da mªo que a toca. Da mesma forma, se diz que alguma coisa estÆ quente, quando estÆ cedendo calor à mªo que a toca ou ao ambiente.

AlØm de todas as coisas estarem constantemente trocando calor entre si e com seu meio, grande parte dos objetos necessita de processos tØrmicos para sua produçào.

Nªo só bolos e biscoitos sªo produzidos em fornos, pois todos os metais, por exemplo, precisam de fornos para serem extraídos de seus minØrios, assim como para serem fundidos e depois moldados ou, pelo menos, para serem aquecidos antes de serem laminados,

Quando nos lembramos de um combustível, qualquer derivado de petróleo ou o Ælcool, por exemplo, podemos imediatamente associar estas substâncias com a produçªo de calor...

...mas nos esquecemos que estas substâncias necessitaram de calor, nas destilarias, para serem produzidas!

Difícil mesmo, Ø achar alguma coisa que nªo precise de calor para ser produzida:

Uma fruta, serÆ que Ø preciso calor para produzi-la?

No motor do automóvel, serÆ possível produzir o movimento do carro, a partir do combustível, mantendo o motor frio?

Abertura e Plano de curso

Faça vocŒ mesmo...

Talvez vocŒ ainda nªo esteja convencido de que o calor esteja presente em tudo no universo. Nªo hÆ de ser nada, vocŒ ainda chega lÆ...

Veja as roupas que voce estÆ usando ou tem guardadas. De algodªo, de lª ou outros tecidos, seus modelos, com ou sem manga, com ou sem gola, com ou sem forro, com ou sem botıes para regular as trocas de calor...

Veja na cozinha, que coisas produzem calor, que coisas transmitem calor, que coisas extraem calor, que coisas isolam para nªo perder calor. Chama, panela, cabo de panela..

Veja no banheiro. Veja a estrutura da própria casa ou edifício.

Veja alguns exemplos:

Ægua( serve,entre outras coisas, como meio de refrigeraçªo)

Cobertor(serve como isolante tØrmico, evitando maiores perdas de calor pelo corpo, em noites frias)

Dilotaçªo(Ø provocada por variaçªo de temperatura e, por isso,Ø base para vÆrios termômetros)

Ebuliçªo(Ø o que acontece quando um líquido Ø aquecido a ponto de virar um gÆs)

Tente
lista
explicando
com calor
com temperatura.

tambØm fazer uma de pelo menos 20 coisas ou situaçıes, uma possível relaçªo ou

Motor doautomóvel(que transforma calor de queima em trabalho mecânico)

Calor, Presença Universal

02 Esquentando os motores e

preparando a rota.

Se tudo tem a ver com calor, por onde começar?

Calor e temperatura sªo a mesma coisa? Qual leva a qual? Qual vem primeiro?

O que Ø a chama?

Todo calor Ø energia? Toda energia Ø calor? E o trabalho o que Ø?

O combustível queima e "faz calor". Mas, como Ø que o calor faz trabalho?

02Esquentando os motores e preparando a rota.

Ao fim da leitura anterior, foi feita uma lista de coisas relacionadas com o calor e processos tØrmicos.

É possível agrupar estas coisas de muitas formas diferentes.

Serve a ordem alfabØtica?gÆs,
geladeira, queimadura,Pensando

bem, acho que nªo!

derretimento,geladeira, forno de microondas,
caloria, amor,resfriado, gelo, isopor, ferro quente,
radiaçªo, queimadura, filtro solar,febre, lua, luz,
madeira, Ælcool, fogªo, gÆs, chuveiro, vulcªo, Ægua,
gŒiser, termômetro, convecçªo, conduçªo,
dilataçªo, ventilador, evaporaçªo,
vento,condensaçªo,compressªodos

fogo, grau celcius, secador,forno elØtrico, cobertor, chuva, vapor, sol, chapØu, motor, radiador, metal, ar, freezer, atrito,borracha, isopor,combustªo, garrafa tØrmica, aquecimento, gasolina, carvªo, liquidificador, calor,solificaçªo,lâmpada, bomba atômica,dissoluçªo, gases, ebuliçªo,freada, fusªo, martelada, nuvem, lagos, etc..

Gelo Ø frio, vapor Ø quente, mas Ø tudo Ægua. Classificar? Quente e frio ou mudança de estado?

HÆ coisas que produzem calor, como os combustíveis, o Sol, uma resistŒncia elØtrica. Sªo uma categoria? Como chamÆ-las?

Roupas podem proteger do frio, isopor impede as trocas de calor, metais facilitam certas trocas. Isolantes e condutores tØrmicos, trocas tØrmicas sªo outra categoria?

Trabalhando o levantamento e a classificaçªo.

Entre as muitas classificaçıes possíveis vamos propor uma que serÆ usada como roteiro para classificar a listagem de termodinâmica.

É claro que muitas coisas podem ou nªo estarem presentes em vÆrias categorias. Por exemplo, a Ægua serve para controlar a temperatura no motor a explosªo (1), troca calor com a vizinhança (2), muda de fase (3) e Ø a substância usada na turbina a vapor (4). A madeira, utilizada como isolante e combustível, se encontra na coluna de fontes e trocas de calor (2).

Medida e controle de temperatura. forno

Ægua

termômetro radiaçªo

Fontes e trocas de calor. Sol

Ægua

madeira convecçªo isopor

Transformaçıes tØrmicas. motor

Ægua gases panela de pressªo...

MÆquinas tØrmicas.

geladeira motor turbina a vapor...

1) Medida e controle de temperatura.

Somos capazes de sentir o calor porque temos receptores na pele que detectam o aumento de energia tØrmica.

Para medir temperaturas construímos termômetros clínicos ou industriais que se baseiam na propriedade dos materiais dilatarem quando aquecidos.

O controle de temperatura feito pelos termostatos, que ligam e desligam circuitos, tambØm se baseia na dilataçªo.

3) Transformaçıes tØrmicas.

Na natureza encontramos Ægua em grande quantidade: no estado líquido, como sólido nas geleiras polares e como gÆs na atmosfera. O gelo, a Ægua e o vapor d’Ægua sªo estados diferentes de uma mesma substância.

Utilizando tecnologias específicas nós provocamos mudanças de estado nas substâncias sempre que necessÆrio.

Transformaçıes tØrmicas exercidas nos gases produzem variaçıes de volume e pressªo.

2) Fontes e trocas de calor.

Que o Sol Ø uma fonte de calor ninguØm duvida. E os combustíveis? Mas, serÆ que nós tambØm podemos nos considerar uma fonte de calor? Como o calor do Sol chega atØ nós?

Sempre que algo puder ceder calor para a vizinhança pode ser considerado uma fonte de calor. As vezes entretanto precisamos impedir as trocas de calor que ocorrem por vÆrias maneiras. O isopor, entre muitos outros Ø um material que evita a conduçªo do calor.

4) MÆquinas tØrmicas.

Identificar um motor do carro como uma mÆquina tØrmica Ø habitual. Mas, e uma geladeira? Ela resfria alimentos.

E o organismo humano, pode ser classificado junto com um motor?

Os princípios em que se baseiam o funcionamento das mÆquinas tØrmicas sªo os mesmos que regem os fenômenos naturais; eles sªo universais.

Esquentando os motores e preparando a rota.

Exercícios. 01) Observando as cenas ilustradas a seguir identifique as coisas relacionadas com calor de acordo com a sua interpretaçªo da cena.

02) Relendo as pÆginas anteriores tente classificar as coisas da sua lista da leitura 01, da leitura 02, das coisas da sua casa e das coisas vistas pela janela de um ônibus.

Utilizando uma lupa.

Um curto circuito.

Empurrando um carro.

03 Medidas de

Temperatura.

Tanto entre as coisas naturais como entre as produzidas ou construidas, o assunto Ø calor.

Como as coisas cedem e recebem calor?

A nossa pele Ø um receptor para a radiaçªo tØrmica tal como o olho Ø para a luz.

Como avaliar o "quanto" essas coisas sªo quentes?

"Todas as coisas recebem e cedem calor o tempo todo."

A luz do Sol atravessa milhares de quilômetros de espaço vazio, sem atmosfera, atØ chegar ao nosso planeta. Este processo de propagaçªo Ø chamado de radiaçªo.

Somos capazes de sentir o calor porque temos receptores na nossa pele que sªo ativados quando detectam o aumento de energia tØrmica.

Os receptores sªo órgªos microscópicos localizados na camada mais interna da pele. Sªo sensíveis ao toque, à pressªo, à dor e à temperatura.

Ao receberem um estímulo cada receptor específico, produz um impulso e o envia para o cØrebro. É o cØrebro que nos faz sentir dor, prazer, calor, etc..

Quando sentimos desconforto devido ao calor muito intenso nos abrigamos. Uma Ærvore, uma parede, um teto, bloqueiam a radiaçªo solar.

A nossa experiŒncia cotidiana nos mostra que quando hÆ um contato direto entre dois objetos o mais quente cede calor para o mais frio, hÆ uma conduçªo de calor.

Havendo um fluído entre eles, geralmente o ar ou a Ægua, tambØm ocorre a troca pelo movimento das molØculas.

A Ægua da parte superior da panela tambØm se aquece. Neste caso dizemos que por convecçªo.

Quase todos os bloqueadores da radiaçªo tØrmica tambØm nªo deixam passar a luz. Mas, Ø necessÆrio tomar cuidado, o vidro se comporta de maneira diferente em relaçªo à luz ou ao calor.

Os filtros solares utilizados hoje para aumentar o tempo de exposiçªo ao Sol tambØm sªo bloqueadores de radiaçªo solar. A nossa pele, que Ø um sensor tØrmico, necessita desta proteçªo.

As vezes utilizamos o tato para avaliar o quanto um objeto estÆ quente e atØ mesmo o estado febril de uma pessoa. Entretanto a nossa sensaçªo pode nos surpreender, como pode ser verificado na próxima atividade.

Coloque uma das mªos numa vasilha com Ægua quente e a outra numa vasilha com Ægua fria. Se as duas mªos forem colocadas posteriormente numa terceira vasilha com Ægua morna, esta mesma Ægua provocarÆ uma sensaçªo diferente em cada mªo.

A Ægua morna parecerÆ fria para a mªo que estava quente e quente para a mªo que estava fria.

Medidas de temperatura.03

O vidro bloqueia a luz? E a radiaçªo tØrmica?

Corte da nossa pele.

Na escala Celsius o zero Ø atribuido para a temperatura do gelo fundente e o cem para a temperatura da Ægua em ebuliçªo. Para completar a definiçªo dessa escala termomØtrica, Ø só graduar o intervalo entre 0 e 100 em cem partes iguais, cada divisªo correspondendo a 1oC. É por isso que a escala Celsius Ø uma escala centígrada. Com os termômetros clínicos avaliamos temperaturas com precisªo de atØ dØcimos de grau. Em mØdia, as pessoas tŒm sua temperatura normal de aproximadamente 36oC, enquanto que a 38oC jÆ estÆ certamente febril.

A escala Fahrenheit.

Outra escala que ainda Ø usada em países de lingua inglesa Ø a escala Fahrenheit em que o zero (0oF) foi escolhido para a temperatura de um certo dia muito frio na Islândia e o cem (100oF) para a temperatura mØdia corporal de uma pessoa. Nessa escala, a temperatura de fusªo do gelo corresponde, a 32oF e a temperatura de ebuliçªo da Ægua a 212oF. O intervalo Ø dividido em 180 partes, cada uma correspondendo a 1OF.

Veja no esquema ao lado a correspondŒncia entre as duas escalas.

Para se conseguir que termômetros diferentes marquem a mesma temperatura nas mesmas condiçıes, Ø necessÆrio se estabelecer um padrªo comum para Œles, uma escala termomØtrica. Na escala Celsius sào escolhidas duas referŒncias: uma Ø a temperatura de fusªo do gelo e a outra Ø a da ebuliçªo da Ægua.

Essas temperaturas sªo tomadas como referŒncia pois, durante as mudanças de estado de qualquer substância a temperatura permanece constante.

A escala Celsius.

Os termômetros que usamos para verificar febre sªo construidos com um fino tubo de vidro ligado a um pequeno bulbo lacrado cheio de mercœrio ou de Ælcool. Quando esfriado, o líquido se contrai e seu nível desce no capilar; quando Ø aquecido, ocorre o contrÆrio.

Tanto o mercœrio como o Ælcool sªo líquidos que, mais do que a Ægua, mesmo para um pequeno aquecimento, se dilatam visivelmente mais que o vidro. Por isso, sªo escolhidos para a construçªo de termômetros. Se fosse com Ægua, precisaríamos de um grande volume. Imagine a inconveniŒncia de se usar um termômetro desses para medir febre!

A escala graduada no vidro dos termômetros clínicos mede temperaturas que vªo de 350C a 410C aproximadamente

HÆ propriedades dos materiais que podem ser usadas para estabelecer e medir temperaturas, como a cor da luz emitida pelo filamento aquecido de uma lâmpada ou a dilataçªo do mercœrio dentro de um tubo de vidro.

Um efeito do aquecimento: dilataçªo.

O piso das calçadas, os trilhos de linhas de trem, as vigas de concreto de construçıes como pontes e edifícios, como tudo mais se dilatam. Sendo estruturas grandes e expostas ao Sol, devem ter vªos para acomodar dilataçıes prevendo este efeito do aquecimento e evitando que provoque rachaduras. Nas calçadas, por exemplo, estas "folgas" costumam ser preenchidas por grama ou tiras de madeira, em pontes sªo simplesmente fendas livres e em edifícios sªo fendas livres ou preenchidas por fitas de borracha.

Todos os objetos sólidos, líquidos ou gasosos, quando aquecidos se dilatam, ou seja, aumentam de volume. Esta propriedade dos materiais pode ser usada para medir temperaturas.

Medidas e controle de temperatura.

Mudando de escala...

3.1- SerÆ que a temperatura de 100oF corresponde mesmo à temperatura de 36oC que Ø o valor considerado normal para temperatura corporal?

Resoluçªo:

Ao compararmos as duas escalas, Celsius e Fahrenheit buscamos uma correspondŒncia entre seus valores a partir dos comprimentos das colunas de líquido das duas escalas.

Uma certa temperatura tC em que graus Celsius corresponde a uma temperatura tF em graus Fahrenheit.

ttCF-

A razªo entre os segmentos

Celsius Ø a mesma que a razªo

Fahrenheit. Portanto:

AtravØs desta expressªo vocŒ pode converter qualquer temperatura de uma escala para outra. Convertendo a temperatura de 100oF para a escala Celsius vocŒ encontra:

(Parte 1 de 2)

Comentários