Ciências 9º ano
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Qual princípio físico pode ser relacionado com o texto de Galileu?
Tom Wang/Shutterstock.com/ID/BR A função do cinto esta relacionada a qual lei de Newton? Explique.
I. Um corpo pode permanecer em repouso quando solicitado por forças externas. II. As forças de ação e reação tem resultante nula, provocando sempre o equilíbrio do corpo em que atuam. III. De acordo com a Segunda Lei de Newton, a força resultante aplicada sobre um corpo é igual ao produto de sua massa por sua aceleração. 16. Assistindo a um programa de TV, um aluno escuta a seguinte frase: “A Terra atrai um pacote de arroz com uma força de 49 N, assim como o pacote de arroz atrai a Terra com uma força de 49 N”. Essa frase está correta? A que princípio físico ela se refere? Fig. 2 (p. 140) Paula Radi/ID/BR 
ARROZ
17. Uma força constante de 10 N produz, em um corpo, um deslocamento de 0,5 m, no mesmo sentido da força. Calcule o trabalho realizado por essa força. Fig. 3 (p. 140) Reinaldo Vignati/ID/BR d
Paula Radi/ID/BR 
S
19. Leia com atenção o texto abaixo. Máquina a vapor [...]
Em 1765, James Watt, um fabricante de instrumentos para a Universidade de Glasgow, estudando uma máquina de Newcomen, procurava uma maneira de aumentar sua eficiência e minimizar os custos com o carvão utilizado como combustível. Foi, então, que elaborou uma máquina com um condensador que minimizava as perdas de calor e que possuía outras finalidades como propulsão de moinhos e tornos, pois o movimento de rotação substituiu o de sobe e desce. Fig. 1 (p. 141) Roger-Viollet/AFP Retrato de James Watt (1736-1819). A máquina de Watt, que também servia à fundição e às minas de carvão, teve grande êxito e acabaram substituindo as máquinas de Newcomen, pois além da versatilidade, consumiam três vezes menos carvão que estas. Para alguns, foi a máquina de Watt que ocasionou a Revolução Industrial. Fig. 2 (p. 141) Liszt Collection/Universal Images Group/Diomedia Gravura representando a máquina de Newcomen.
Georgios Kollidas/Shutterstock.com/ID/BR Gravura representando a máquina de Watt. Foi James Watt que fixou o cavalo-vapor como unidade de medida para determinar a potência de uma máquina. Na época, considerou a carga que um cavalo poderia elevar. Hoje o cavalo-vapor é a potência necessária para elevar um metro de altura uma massa de 75 kg em um segundo. [...] Foi em 1804 que as máquinas a vapor foram utilizadas para a locomoção. Richard Trevithick, um engenheiro de minas, fez uma locomotiva de um só cilindro com êmbolo e caldeira que carregava barras de ferro das minas de carvão. O motor a vapor foi utilizado nos automóveis durante o fim do século XIX e início do século XX, por mais ou menos 30 anos. O motor de maior sucesso foi fabricado por um americano chamado Stanley e esteve em uso até 1945. O motor a vapor é uma máquina que transforma a energia térmica do vapor em energia mecânica utilizando um êmbolo que se movimenta dentro de um cilindro, assim como a máquina de Watt. O combustível queima fora do cilindro, ou seja, é de combustão externa, o que diminui a poluição. O vapor é admitido por um lado do cilindro e expulso do outro por um sistema de válvulas enquanto o pistão se movimenta. [...] Disponível em: a) A máquina a vapor de Watt teve aplicações na emergente indústria têxtil da Inglaterra na época da hoje chamada Revolução Industrial. Todavia, seu uso primário se deu para o bombeamento de água das minas de carvão. Com a ajuda do professor de História, destaque outros pontos em que a máquina a vapor foi revolucionária. b) Calcule o trabalho realizado por um cavalo para deslocar uma massa de 75 kg a uma distância de 1 m. c) Com base no texto, comente a seguinte frase: “Para alguns, foi a máquina de Watt que ocasionou a Revolução Industrial”.
A presença e importância da energia pode ser observada em praticamente tudo que nos rodeia. Sua ausência, seja na escassez de alimento, na queda da energia elétrica de uma casa ou na falta de combustível nos carros, nos faz lembrar que esse recurso precisa ser transformado, armazenado e colocado à disposição das pessoas. A preservação do ambiente e o uso das diversas tecnologias são duas situações diretamente relacionadas à vida dos seres humanos, e essa relação é um dos temas abordados nesta unidade. Além disso, vamos estudar também as formas de energia, sua obtenção e seu consumo.
Rodrigo Valença/Celpe Usina solar em Fernando de Noronha (PE), 2014. Usina Solar NORONHA I MAIS ENERGIA PARA UM FUTURO SUSTENTÁVEL.
Percebemos com mais clareza o quanto somos dependentes da energia elétrica quando seu fornecimento é interrompido: o computador deixa de funcionar, bem como a televisão, o aparelho de som, a geladeira, a máquina de lavar roupas, os ventiladores e tantos outros aparelhos. Se a bateria do celular estiver no fim, não é possível recarregá-la. De noite, precisamos acender lanternas, velas ou lampiões para nos deslocarmos com segurança dentro de casa ou continuar a leitura de um livro ou de uma revista. Se o chuveiro for elétrico, o banho terá de ser com água fria. Além disso, o tão esperado jogo de video game terá de ser adiado até o retorno da energia elétrica, o que poderá levar minutos, horas ou até mesmo dias. Fig. 1 (p. 144) Alexandra Lande/Shutterstock.com/ID/BR HomeArt/Shutterstock.com/ID/BR A vela e o lampião são objetos utilizados para iluminar o ambiente quando o fornecimento de energia elétrica é interrompido. O corte em seu fornecimento também prejudica o comércio, as indústrias, os transportes públicos que dela fazem uso, como metrôs e trens, bem como o deslocamento das pessoas em razão do não funcionamento de semáforos e das lâmpadas em postes públicos. Não é por acaso que costumamos comemorar o retorno da energia elétrica depois de alguns minutos ou horas no escuro. Segundo dados de 2014 da Associação Brasileira das Empresas de Serviços de Conservação de Energia (Abesco), mais de 10% de toda a energia elétrica consumida no Brasil é desperdiçada. Como podemos contribuir para reduzir o desperdício de energia elétrica? Objetivo •Avaliar o consumo de energia elétrica dos aparelhos utilizados em sua residência e sua relação com a conta de luz. Procedimento 1. Peça para as pessoas que moram com você uma conta de energia elétrica. Procure na conta pela informação que indica o valor do quilowatt-hora (kWh), como no exemplo abaixo. Fig. 2 (p. 144) Ciça Neder/Fotoarena Tarifas aplicadas (sem impostos) Energia Elétrica kWh 0,34700000 (R$) Página 145 O kWh equivale à energia consumida por um aparelho de 1000 W de potência em uma hora de uso. Ele é a unidade utilizada para medir o consumo de energia elétrica. De acordo com os dados da conta, o valor de kWh consumido na sua residência foi maior, igual ou menor ao do mês anterior? A que se deve essa provável diferença? 2. Avalie o consumo de energia elétrica dos aparelhos usados em sua residência. As etapas a seguir vão ajudá-lo nessa tarefa. •Faça uma lista dos aparelhos elétricos mais utilizados na sua residência, como a geladeira ou o video game. Faça uma estimativa do número de horas que cada aparelho é utilizado no mês. •Pesquise sobre a potência de cada aparelho analisado no item anterior. Essa informação pode ser encontrada na embalagem e no manual do produto. Outra opção é pesquisar no site do fabricante. •Calcule o consumo de energia elétrica no período de um mês para cada aparelho. Para isso, multiplique o valor da potência, em watts, pelo tempo de uso, em horas. Lembre-se de converter o número para kWh. Qual deles consome mais energia elétrica no período de um mês? •Alguns aparelhos ligados na tomada consomem energia elétrica mesmo se não estão sendo utilizados. Essa situação, chamada modo de espera (modo stand by), é bastante comum em televisores, micro-ondas, aparelhos de som, entre outros, e acaba, muitas vezes, sendo ignorada pelo consumidor. Pesquise a potência dos aparelhos analisados no modo de espera. Em seguida, faça uma previsão de quanto tempo, em horas, o(s) aparelho(s) fica(m) nessa situação e simule o consumo de energia elétrica no mês.
Em grupos de quatro ou cinco alunos, discutam sobre as questões a seguir. 1. Quais aparelhos consomem mais energia elétrica? E quais consomem menos? 2. O consumo de energia elétrica é alta no modo de espera? Por quantas horas uma lâmpada de 30 W poderia ser utilizada para equivaler ao consumo mensal de energia elétrica no modo de espera, considerando todos os aparelhos analisados? 3. Se você somar o consumo de energia de todos os aparelhos analisados, o valor obtido corresponderá a que porcentagem da energia consumida em kWh indicada na conta de luz? 4. É possível reduzir o consumo de energia elétrica em sua casa? Como você poderia contribuir para essa economia? 5. Quais são os benefícios socioeconômicos e ambientais decorrentes da redução do consumo de energia elétrica? Apresentação Elabore uma apresentação oral para a classe com base na média de consumo de energia dos aparelhos analisados, nas respostas das atividades propostas nesta seção e nas informações obtidas por vocês. Compartilhe as conclusões do grupo com a comunidade escolar e com seus familiares. Página 146 CAPÍTULO 10 Energia e suas manifestações Fig. 1 (p. 146) Dmitry Kalinovsky/Shutterstock.com/ID/BR Samuel Borges Photography/Shutterstock.com/ID/BR TommL/iStock/Getty Images Westend61/Glowimages Que ações estão sendo mostradas nas imagens e como elas podem ser relacionadas à energia? A energia está presente na realização de tarefas simples do dia a dia e pode ser obtida de diversas fontes. Vejamos alguns exemplos: • O funcionamento do motor de um carro depende de um conjunto de reações químicas que envolvem o combustível e resultam na liberação de energia, possibilitando o movimento. • Por meio do processo de respiração celular, a energia dos alimentos é liberada e possibilita o funcionamento do corpo humano. • Ao acionar um interruptor, a energia transmitida pela rede elétrica é convertida pela lâmpada em luz e calor. • A madeira, ao ser queimada, libera energia e provoca o aquecimento do ambiente ao seu redor. Essas situações mostram três aspectos comuns: a presença de uma fonte de energia, uma transformação que converte a energia armazenada nessa fonte em outro tipo de energia e uma ação na qual essa energia é utilizada. Converter: transformar; mudar. Página 147 A origem da energia Apesar de notarmos diversas fontes de energia no dia a dia, praticamente toda energia que encontramos no planeta vem de uma fonte primordial: o Sol. É a energia do Sol que aquece a superfície do planeta, possibilitando a vida na Terra. Sem energia luminosa, as plantas não realizariam fotossíntese, processo pelo qual os vegetais produzem alimento, que será usado por animais, incluindo seres humanos. Sem alimento, nenhum animal pode sobreviver. O aquecimento diferenciado da superfície terrestre dá origem às correntes marítimas e às correntes de ar, gerando ventos que influenciam o clima de todas as regiões do planeta. É também responsável pelo ciclo da água e, consequentemente, pela dinâmica das chuvas. A importância da energia do Sol é tão grande que diversos cientistas estudam as melhores maneiras de aproveitá-la.
Ernesto Reghran/Pulsar Imagens Rubens Chaves/Pulsar Imagens A energia luminosa do Sol é utilizada pelos vegetais, como os dessa plantação (Londrina, PR, 2013) para produzir alimento. Esse alimento é aproveitado pelo ser humano como fonte de matéria e energia. Propriedades da energia Uma das principais propriedades da energia refere-se à sua conservação ao longo das transformações que ocorrem durante um fenômeno. A energia não pode ser criada ou destruída, mas somente transformada e transferida. A lei ou princípio da conservação da energia expressa isso: “Em um sistema isolado, a energia total se conserva, independentemente das transformações ocorridas”. A energia pode ser transferida entre os corpos. Por exemplo, em um jogo de tênis, o jogador, ao rebater a bola, transfere a energia do movimento de seu corpo para a raquete, e esta para a bola. Fig. 2 (p. 147) Juergen Hasenkopf/Alamy/Latinstock Assim que a jogadora de tênis bate com a raquete na bola, ela transfere a energia do movimento de seu corpo para a raquete, e esta para a bola. Quando a energia é transferida para o ambiente e não pode mais ser aproveitada, diz-se que ela foi dissipada. Esse fato não viola o princípio da conservação, uma vez que a energia não desaparece, sendo apenas transferida para o ambiente. Além disso, é possível armazenar e transportar energia de um lugar para o outro. Isso acontece, por exemplo, quando se carrega uma bateria de celular e, posteriormente, se utiliza a bateria para o funcionamento do aparelho.
A energia do movimento dos ventos e das águas move as pás de turbinas ligadas a geradores, que transformam o movimento em energia elétrica, a qual chega a nossas casas pela fiação elétrica. Uma lâmpada acesa transforma energia elétrica em energia luminosa e térmica. A energia térmica está associada à mudança de temperatura ou de estado físico. Por exemplo, um aquecedor de ambiente tem como função aumentar a temperatura do lugar em que está. Fig. 1 (p. 148) BESTWEB/Shutterstock.com/ID/BR Fernando Favoretto/Criar Imagem Torre de linha de transmissão e distribuição de energia elétrica e um de seus usos em um liquidificador, que transforma energia elétrica principalmente em energia mecânica. Fig. 2 (p. 148) Oliver Sved/Shutterstock.com/ID/BR Diego Cervo/Shutterstock.com/ID/BR No aquecedor e na lâmpada incandescente, a energia elétrica é transformada em energia térmica e luminosa. Energia cinética As imagens abaixo retratam algum tipo de movimento. Observe. Fig. 3 (p. 148) Monkey Business Images/Shutterstock.com/ID/BR Pessoas correndo e jogando bola em um parque.
Manik Gunawardana/Dreamstime.com/ID/BR Um carro que se movimenta em alta velocidade em uma estrada. A energia associada ao movimento é denominada energia cinética. Essa energia depende da massa do corpo em movimento e da sua velocidade. Por exemplo, para uma mesma velocidade, o corpo que apresentar maior massa terá maior energia cinética. Um corpo parado, isto é, com velocidade nula, não possui energia cinética.
Hélio Senatore/ID/BR v = 60 km/h v = 60 km/h Os dois veículos deslocam-se com a mesma velocidade, mas, como o caminhão possui maior massa, sua energia cinética é maior. Página 149 Energia potencial A energia potencial é aquela armazenada por um objeto ou um sistema. Ela pode ser do tipo gravitacional ou elástica. Existem ainda outras formas de se armazenar energia, como a energia elétrica por meio de baterias e capacitores, mas nos ateremos às duas primeiras. Energia potencial gravitacional A energia potencial gravitacional decorre da presença da força gravitacional que age sobre os corpos. No caso da Terra, os corpos são atraidos para seu centro. Ela depende da distância vertical do objeto a ser estudado, considerando um ponto de referência fixo. Assim, a energia potencial gravitacional armazenada em um objeto é diretamente proporcional a essa distância e ao peso do objeto. Fig. 1 (p. 149) Igor Terekhov/Shutterstock.com/ID/BR Os objetos apoiados sobre a mesa não possuem energia potencial gravitacional em relação à mesa, mas sim em relação ao centro do planeta. Essa energia potencial gravitacional se transforma em energia cinética quando um dos objetos é derrubado da mesa e cai em direção ao solo.
A energia potencial elástica é observada em um objeto elástico que se encontra estendido ou comprimido. Ela depende da deformação que o objeto sofreu e do material de que ele é feito. Assim, por exemplo, quanto maior a distensão do objeto, mais energia será armazenada nele. Fig. 2 (p. 149) Andrzej Tokarski/Dreamstime.com/ID/BR A mola de abertura do guarda-chuva automático é um exemplo de corpo que armazena energia potencial elástica. Ela fica comprimida enquanto o guarda-chuva está fechado; mas, quando o botão é apertado, a mola deixa de ser comprimida e, ao se distender, fornece energia para que o guarda-chuva se abra.
Clover Images/Glowimages A flecha é arremessada pela corda do arco graças à energia potencial elástica transferida da corda para a flecha.
Em dupla, selecione pelo menos duas bolinhas de materiais diferentes (bolinha de gude, bola de tênis de mesa, bola do tipo pula-pula, etc.). Cole um pedaço de fita crepe na vertical em uma parede para definir a altura da qual as bolinhas serão soltas. Solte uma das bolinhas e peça a seu colega que marque com uma caneta, na fita, a altura atingida depois da primeira batida no chão. Identifique a marca feita para essa bolinha. Repita o procedimento acima para as demais bolinhas. Retire a fita da parede. Analise as marcas e responda às questões. a) Qual das bolinhas atingiu a maior altura? Qual atingiu a menor altura? b) Explique esse resultado a partir da elasticidade dos materiais constituintes das bolinhas.
A energia mecânica é a soma da energia cinética com a energia potencial de um sistema. Se não houver dissipação ao longo do processo considerado, essa energia permanece constante, isto é, os valores da energia mecânica inicial e final do sistema são iguais. Abaixo são apresentadas diferentes manifestações da energia mecânica.
Hélio Senatore/ID/BR Situação 1 plano de referência Situação 2 plano de referência Situação 3 plano de referência Situação 4 velocidade plano de referência Situação 1: o pêndulo está parado na posição vertical, na altura do plano de referência.
Situação 2: um agente externo (pessoa representada pela mão, na ilustração) desloca o pêndulo de sua posição inicial e o mantém em repouso, em uma nova posição localizada acima da inicial. Nessa situação, o pêndulo tem energia potencial gravitacional em relação ao plano de referência, mas não tem energia cinética, pois está parado. Aqui a energia mecânica é igual à energia potencial gravitacional. Situação 3: o pêndulo é solto e se move em direção ao plano de referência. Nesse instante, o pêndulo possui velocidade e está a uma certa altura; ou seja, ele possui energia potencial gravitacional e energia cinética. A soma delas é o valor da energia mecânica. Situação 4: ao passar pelo ponto mais baixo da trajetória, o pêndulo só possui energia cinética, ou seja, toda a energia potencial gravitacional se transformou em energia cinética. Nesse instante, a energia mecânica é igual à energia cinética. Em um sistema isolado, para qualquer altura do pêndulo a partir da Situação 2, o valor da energia mecânica é sempre o mesmo: ele se conserva. Isso quer dizer que, em um sistema isolado, um pêndulo solto de uma determinada altura se moveria atingindo sempre essa mesma altura indefinidamente, em um movimento perpétuo. Já em um sistema não isolado, a altura do pêndulo vai diminuindo até que o movimento cessa por completo. Isso acontece porque a energia mecânica vai sendo dissipada para o ambiente, transformada em outros tipos de energia. Fig. 2 (p. 150) Berenice Abbott/ Science Source/Diomedia Com a lâmpada estroboscópica e um equipamento apropriado é possível registrar as várias posições de um objeto, como o pêndulo da fotografia, em sequência, em uma única foto.
Amarre um corpo em um barbante, simule o movimento de um pêndulo e observe. Após algum tempo, o que acontece com o movimento do corpo? Conclua se o sistema em questão é isolado ou não isolado. Justifique sua resposta. Página 151 ATIVIDADES Responda sempre no caderno. 1. Defina, com suas palavras, o que é fonte de energia. Dê exemplos de dois tipos de fonte de energia diferentes. 2. Imagine uma pessoa realizando alguma atividade física, como uma corrida, e indique dois tipos de transformação energética envolvidos. 3. Responda às questões a seguir no caderno. a) Por que as pessoas costumam se sentir “sem energia” quando passam por períodos prolongados sem ingerir alimentos? b) Por que o consumo excessivo de certos alimentos faz engordar? c) Por que, para emagrecer, se recomendam a realização de atividades físicas e a mudança dos hábitos alimentares? 4. Leia o texto abaixo e faça o que se pede. Fotossíntese A fotossíntese é um fenômeno biológico realizado pelas plantas e outros organismos vivos que possuem clorofila e são capazes de converter energia luminosa em energia química. Esse fenômeno envolve dois reagentes (uma fonte de carbono e outra de hidrogênio), uma fonte de energia luminosa e um pigmento sensível à luz (a clorofila). Por meio da fotossíntese são produzidos açúcares, água e gás oxigênio. a) Qual a importância da fotossíntese para as plantas e outros organismos fotossintetizantes? b) As plantas de um ambiente podem servir de alimento a outros seres vivos, por exemplo, os mamíferos herbívoros. Explique por que o Sol é importante para a sobrevivência desses animais. c) Além de sua importância na cadeia alimentar, a fotossíntese também tem grande importância para a sociedade humana atual. Utilizando exemplos, explique essa afirmação.
ID/CL
60 km/h 90 km/h
90 km/h a) Quais são as variáveis relevantes para avaliar a energia cinética? Descreva como essas variáveis influenciam essa energia. b) Descreva a ordem crescente de energia cinética da situação mostrada. Justifique sua resposta.
AKodisinghe/Shutterstock/ID/BR a) sistema conservativo de energia; b) sistema não conservativo de energia. 7. Considere a situação da atividade 6 e identifique uma maneira de minimizar a dissipação de energia em um sistema não conservativo. Página 152 CAPÍTULO 11 Calor e energia térmica Fig. 1 (p. 152) Astier/BSIP/Keystone Brasil Joe Belanger/Shutterstock.com/ID/BR A variação na temperatura nos corpos pode ser observada de diversas formas, como utilizando um termômetro (foto à esquerda) ou percebendo alterações no estado do corpo, como a liberação de vapor por um motor superaquecido (foto à direita). Um dos procedimentos mais simples e eficazes para avaliar se uma pessoa está com febre é medir sua temperatura. Quando estamos com febre, nossa temperatura corporal está mais alta do que o normal. Esse aumento da temperatura, em geral, é indicativo de que nosso organismo está tentando combater uma infecção. Uma das formas de fazer a febre diminuir é tomar um banho com água morna, colocar roupas leves e procurar um médico para determinar a origem do quadro febril. A variação de temperatura não é um privilégio dos seres vivos. As máquinas em funcionamento também aquecem e podem sofrer avarias em razão do aumento elevado da temperatura. Costuma-se dizer que o motor de um carro “ferveu” quando ocorre um aquecimento acima dos valores previstos e a água escapa de seu sistema de resfriamento. Nesse caso, o procedimento correto é desligar o carro e procurar a ajuda de um mecânico para verificar o que está errado. Nas duas situações descritas, a temperatura elevada indica que há problemas. Para diminuir os efeitos, pode-se tomar um banho morno, no caso da febre, ou desligar o motor, no caso do automóvel. Essas duas estratégias são maneiras de trocar energia térmica para baixar a temperatura. Página 153 O que é temperatura Sabemos que a matéria é formada por átomos ou íons. Essas partículas possuem certo grau de agitação, seja vibrando, no caso dos sólidos, seja se deslocando pelo espaço, no caso dos líquidos e gases. Essa teoria recebe o nome de teoria cinético-molecular, pois assume que as partículas (átomos, moléculas e outros) sempre têm algum tipo de energia cinética, que é chamada de energia térmica. Podemos medir a energia cinética média de todas as partículas de um corpo; essa medida macroscópica é chamada de temperatura. Portanto, a temperatura é a medida do grau de agitação das partículas de um corpo. O instrumento utilizado para medir a temperatura é o termômetro.
Quanto maior a agitação das partículas, maior é a temperatura; por outro lado, quanto menor a agitação das partículas, menor será a temperatura. Teoricamente, existe um limite para a diminuição da temperatura, que é a ausência total de agitação das partículas. Nesse caso, a temperatura do corpo atingiria o chamado zero absoluto. As imagens abaixo mostram o cobre em duas temperaturas diferentes: no estado sólido, em cilindros armazenados à temperatura ambiente, e durante o processo de fundição, quando a temperatura é elevada e o cobre é transformado em líquido.
Kotomiti Okuma/Shutterstock.com/ID/BR Ilustrações: Reinaldo Vignati/ID/BR Representação do movimento das partículas em baixa temperatura. Representação sem proporção de tamanho. Cores-fantasia Fig. 2 (p. 153) Rodrigo Garrido/Reuters/Folhapress Representação do movimento das partículas em alta temperatura. No estado sólido, a agitação das partículas, indicada nos esquemas acima pelo tamanho das linhas que simbolizam o movimento, é menor. No estado líquido, com a temperatura mais elevada, as partículas de cobre têm maior agitação e, portanto, maior energia cinética. Para aplicar Comportamento das partículas de água em diferentes temperaturas Coloque água morna em um copo e água fria em outro. Use um conta-gotas para pingar uma gota de corante em cada copo. Depois, observe o comportamento do corante em cada copo e procure explicar os resultados observados. Página 154 Equilíbrio térmico e calor Quando um corpo com maior temperatura entra em contato com outro corpo com menor temperatura, ocorre transferência de energia cinética. A agitação das partículas se propaga pelos dois corpos até que a agitação de todas as partículas seja igual. Em outras palavras, a transferência de energia ocorre até que a energia cinética média das partículas dos dois corpos seja a mesma. Fig. 1 (p. 154) Representações sem proporção de tamanho entre si. Cores-fantasia corpo A corpo B A agitação das partículas no corpo A é maior do que no corpo B. Os corpos A e B entram em contato e ocorre a transferência de energia cinética. A energia cinética média das partículas é a mesma. ID/BR
Esquema do equilíbrio térmico atingido entre dois corpos com temperaturas iniciais diferentes, tendo como referência as partículas e a teoria cinético-molecular (visão microscópica). Na visão macroscópica, a transferência de energia entre os corpos cessa quando eles atingem o equilíbrio térmico, ou seja, a mesma temperatura. A energia cinética das partículas, ou seja, a energia térmica, transferida entre corpos com diferentes temperaturas é chamada de calor.
Paula Radi/ID/BR Esquema de transfêrencia de energia térmica entre dois corpos com temperaturas iniciais diferentes, tendo como referência os corpos envolvidos e a temperatura (visão macroscópica). O corpo A cede calor para o corpo B, de modo que a temperatura do corpo A diminui e a do corpo B aumenta, até atingirem o equilíbrio térmico. corpo A temperatura maior calor corpo B temperatura menor Transferência de calor: condução, convecção e irradiação Para que a temperatura de um corpo varie, é necessário que ocorra transferência de energia térmica para outro corpo. Essa interação entre os corpos é chamada propagação de calor e pode ocorrer de três maneiras distintas: por condução, por convecção e por irradiação. A maioria das situações de troca de calor não ocorre exclusivamente de uma maneira, mas há o predomínio de uma delas sobre as outras, devido às condições dos corpos em interação. Essas condições podem ser, por exemplo, o estado físico dos corpos e a temperatura do ambiente que os envolve.
Na condução, o calor se propaga por meio do contato físico entre os corpos: a agitação das partículas de um corpo com maior temperatura se transfere para as partículas de um outro corpo, que, por isso, tem a agitação de suas partículas constituintes aumentada. Esse processo pode ocorrer sempre que existir matéria, seja ela sólida, líquida ou gasosa.
Koh Sze Kiat/Dreamstime.com/ID/BR A colher (matéria sólida) aquece ao ser mergulhada no café quente (matéria líquida). Esse aquecimento ocorre até mesmo na parte não imersa no líquido, porque a energia térmica se propaga por toda a colher.
Ulga/Dreamstime.com/ID/BR O fundo da panela é aquecido pela chama do fogão. No entanto, a temperatura de toda a panela eleva-se, bem como a de seu conteúdo.
A propagação do calor por convecção deve-se ao movimento de porções de líquidos e gases com temperaturas diferentes entre si. Ao aquecer uma porção de água em uma panela, as moléculas de água da parte mais próxima da chama recebem mais energia e se deslocam para cima. As moléculas de água da parte de cima, com temperatura inferior e, portanto, menos agitadas, deslocam-se para baixo e são aquecidas. Desse modo, se estabelece uma corrente de convecção, fazendo com que a temperatura tenda a se igualar em toda a matéria. As porções de água mais aquecidas sobem e as menos aquecidas descem por causa da diferença de densidade entre elas. As partículas pertencentes à porção mais aquecida possuem maior agitação, por isso estão mais distantes umas das outras, diminuindo a densidade dessa porção de água. A convecção pode acontecer tanto em pequenas porções de matéria, como na água de uma panela, quanto em grandes porções de matéria, como na atmosfera terrestre. Exemplos de transferência de calor por convecção Fig. 3 (p. 155) Ilustrações: Roberto Higa/ID/BR A figura mostra a corrente de convecção que se estabelece devido à energia fornecida pela chama à parte inferior da chaleira. As setas vermelhas indicam a subida da água mais quente e as setas azuis mostram a descida da água mais fria em direção à parte mais quente do recipiente.
A imagem mostra o movimento da massa de ar ao se estabelecer uma corrente de convecção. O ar próximo à superfície é aquecido e sobe em direção à parte mais alta da atmosfera, e volta a descer quando resfriado. ar frio aquecimento resfriamento ar quente Para aplicar Movendo as pás de um cata-vento Pesquise como construir um pequeno cata-vento em sites e livros. Após tê-lo construído, seu professor o posicionará cerca de 10 centímetros acima da chama de uma vela. Observe o que ocorre com o cata-vento e explique os resultados. Página 156 Irradiação Na irradiação, o calor, ao se propagar, transporta energia por meio de ondas eletromagnéticas. Essas ondas podem se propagar em meios materiais, como a atmosfera terrestre, e mesmo na ausência deles, por exemplo, no vácuo. O exemplo mais significativo são as ondas eletromagnéticas emitidas pelo Sol, que chegam à Terra após atravessar toda uma região na qual a matéria inexiste. Ondas eletromagnéticas: classe de onda que não precisa de um meio material para se propagar. A luz é um exemplo de onda eletromagnética. Vácuo: região espacial onde não existe matéria. Exemplos de transferência de calor por irradiação Fig. 1 (p. 156) Fabio Fersa/Dreamstime.com/ID/BR A energia do Sol viaja através do espaço até chegar à Terra. Essa forma de propagação de energia é denominada irradiação.
Demonike/Dreamstime.com/ID/BR O aquecimento do ambiente gerado por uma lareira deve-se à irradiação, além da condução do calor pelo ar.
Normalmente, a temperatura da atmosfera diminui com o aumento da altitude em relação à superfície da Terra até os primeiros 10 quilômetros. Dessa maneira, a camada de ar mais próxima à superfície é mais quente e menos densa, o que favorece a dispersão de poluentes, os quais podem subir com esse ar mais quente. Durante a inversão térmica, as camadas de ar com maior temperatura ficam presas à superfície da Terra pelas camadas de ar com temperatura menor; como consequência dessa distribuição de temperatura, o processo de convecção não ocorre e dá-se a estagnação da massa de ar por um longo período de tempo. Há diversas causas para essa situação: a geografia local, como vales e montanhas, o comportamento do clima ou o excesso de partículas em suspensão, por causa da poluição. Esse é um fenômeno natural que pode ocorrer também em regiões rurais, principalmente em vales e regiões montanhosas. Na cidade, a inversão térmica leva ao acúmulo de poluição do ar, pois não ocorre a dispersão das partículas lançadas na atmosfera pelos motores de carros e por indústrias, por exemplo.
Luiz Guarnieri/Brazil Photo Press/AFP Camada de poluentes atmosféricos sobre a cidade de São Paulo (SP), 2014.
A temperatura mede o grau de agitação das partículas que compõem um corpo. Ela é diretamente proporcional a essa agitação, isto é, quanto maior a agitação, maior será a temperatura. Para medir a temperatura, foram criadas escalas de temperatura, que são sistemas de medida que consideram, pelo menos, dois pontos de referência e estabelecem divisões iguais entre esses pontos. Há vários tipos de escalas utilizadas para medir a temperatura. A rigor, qualquer um pode definir a sua escala e utilizá-la. No entanto, três escalas são as mais utilizadas. As duas escalas termométricas mais usadas no mundo são Celsius e Fahrenheit, que foram criadas com valores arbitrários, ou seja, os criadores − astrônomo sueco Anders Celsius (1701-1744) e o físico alemão Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) − escolheram os pontos fixos de acordo com suas necessidades na época.
Temperatura de fusão do gelo indicada nas escalas Celsius e Fahrenheit. Ilustrações: Reinaldo Vignati/ID/BR 32 °F 0 °C Fig. 2 (p. 157) Temperatura de ebulição da água indicada nas escalas Celsius e Fahrenheit. 212 °F 100 °C A terceira escala, Kelvin, é chamada também de escala absoluta, por ter como ponto inicial o zero absoluto, isto é, a temperatura teórica em que todas as partículas deixariam de ter movimento. Escalas Celsius e Fahrenheit Na escala Celsius, a temperatura de fusão do gelo corresponde ao valor 0 °C (lê-se zero grau Celsius), e a temperatura de ebulição da água corresponde a 100 °C. O intervalo entre esses valores é dividido em 100 partes iguais, cada uma equivalendo a 1 grau Celsius ou 1 °C. A temperatura de fusão do gelo, na escala Fahrenheit, corresponde a 32 °F (lê-se trinta e dois graus Fahrenheit), e a temperatura de ebulição da água corresponde a 212 °F. A escala Celsius é utilizada pela maioria dos países. Os Estados Unidos é o principal país que adota a escala Fahrenheit como oficial. A relação entre temperaturas nas escalas Celsius (TC) e Fahrenheit (TF) é dada por:
A escala Kelvin inicia-se no valor zero, que corresponderia à ausência de agitação das partículas constituintes do corpo. Comparando com a escala Celsius, o valor do zero absoluto corresponde a –273,15 °C, que costuma ser aproximado para –273 °C. E a temperatura de ebulição da água, 100 °C, corresponde a 373 K. Para converter um valor da escala Celsius (Tc) na escala Kelvin (TK), ou vice-versa, utiliza-se a relação:
Utilizando a relação de conversão entre as escalas Celsius e Fahrenheit, determine qual temperatura em °C corresponde a 68 °F. Depois, determine o valor correspondente na escala Kelvin. Página 158 Dilatação e contração Ao medir a temperatura de um corpo, o líquido contido no tubo do termômetro aumenta de volume (se dilata) ao sofrer aumento de temperatura ou diminui de volume (se contrai) se a temperatura diminuir. A maioria dos corpos se dilata quando aquecidos, e isso acontece independentemente de o corpo ser classificado como isolante ou condutor térmico. Quando a temperatura de um corpo aumenta, a agitação de suas partículas aumenta, e elas se afastam umas das outras. Com isso, o volume do corpo aumenta, ou seja, o corpo se dilata. Quando a temperatura diminui, ocorre o inverso, ele se contrai. A dilatação ou a contração ocorre em todas as dimensões do corpo. Entretanto, em algumas situações é comum estudarmos cada uma das dimensões separadamente, ou apenas duas delas.
Esquema da dilatação de uma barra de metal, inicialmente à temperatura T0 e comprimento L0. Aumentada a temperatura para T, seu comprimento aumenta para L. Reinaldo Vignati/ID/BR T0 L0 L T Fig. 2 (p. 158) O termômetro das fotos ao lado é usado para medir a temperatura de ambientes. O que se nota de uma imagem para outra é o aumento na altura da coluna do líquido contido no bulbo interno do termômetro. Fotografias: Sérgio Dotta Jr./ID/BR
Na dilatação linear, consideramos a variação de apenas uma dimensão, por exemplo, o comprimento de barras, cabos e fios. Veja nas ilustrações a seguir exemplos de dilatação linear.
Nas ferrovias, os trilhos são colocados com espaçamento para evitar que se entortem devido à dilatação. Fig. 4 (p. 158) Os fios são colocados com folgas nos postes, formando “barrigas”. Essas folgas evitam que eles se rompam devido à contração em dias muito frios. Ilustrações: Reinaldo Vignati/ID/BR barriga
A dilatação linear depende do material e ocorre de maneira proporcional à variação de temperatura e ao comprimento inicial do corpo. Isso significa que uma barra de cobre e outra de alumínio, de mesmo comprimento e sob a mesma variação de temperatura, sofrem dilatações diferentes. Página 159 Dilatação superficial: variam duas dimensões Na dilatação superficial, consideramos a variação de duas dimensões, por exemplo, a área de chapas metálicas. Estruturas de concreto, como pontes, paredes externas de edificações e pistas de aeroportos, podem apresentar rachaduras e até sofrer danos maiores por ficarem expostas a grandes variações de temperatura ambiental. Como a maioria dessas estruturas é constituída por duas ou mais placas de concreto, estas são colocadas com espaçamentos entre elas. Esses espaçamentos são preenchidos por chapas de metal ou de madeira, que, por se dilatarem de maneira diferente das placas de concreto, evitam as rachaduras. Essas peças são chamadas juntas de dilatação.
Richard Levine/Alamy/Other Images Os espaçadores mais utilizados nas estruturas de concreto atuais são feitos de metal. São as chamadas juntas de dilatação.
Na dilatação volumétrica, consideramos a variação de três dimensões. Podemos estudar a dilatação volumétrica de sólidos, líquidos e gases. Um exemplo da variação volumétrica de líquidos é a que ocorre nos combustíveis, associada à variação da temperatura ao longo do dia. No início da manhã, com temperatura mais baixa, o líquido se contrai e o volume ocupado por ele é menor. Próximo do meio-dia, com a elevação da temperatura, o líquido se dilata e ocupa volume maior que no período da manhã. Dessa maneira, a mesma massa de combustível ocupa volumes diferentes ao longo do dia, em razão da variação de temperatura. Fig. 2 (p. 159) Hardtmuth/Shutterstock.com/ID/BR Ao longo do dia, os combustíveis sofrem variação de volume de acordo com a temperatura. Em geral, os líquidos aumentam de volume quando aquecidos. Mas há uma exceção: a água no estado líquido. Ao contrário dos outros líquidos, a água diminui de volume quando aquecida de 0 °C a 4°C. Nesse mesmo intervalo de temperaturas, ao ser resfriada, a água sofre uma expansão no volume.
Desde a Antiguidade, filósofos e estudiosos da natureza tentaram explicar e definir o que é o fogo e o calor. Muitos pensavam que o calor era proveniente do movimento de partículas extremamente pequenas. Outros, como Aristóteles, imaginavam que o calor era um fluido que circulava pela matéria e não apresentava massa. Explicando o calor [...]
Esse caráter material do fogo (fluido subtil) foi igualmente adotado pelos alquimistas e persistiu ao longo dos séculos. Vamos encontrá-lo no século XVIII com o nome de calórico, conceito que perdurou até meados do séc. XIX [...]. Subtil: que é quase imperceptível. Roger Bacon (1214-1294) e posteriormente Johannes Kepler (1571-1630) teriam tido a intuição de que o calor seria devido ao movimento de partículas internas da matéria. Mas, contrariamente, Galileu (1564-1642) e Newton (1642-1727) seguiam os princípios do fluido de Aristóteles. Posteriormente as atenções sobre o fenômeno do calor e as suas transformações deixam o âmbito das especulações qualitativas, entrando progressivamente no domínio da análise quantitativa. Mas surgiam algumas dificuldades [...]. As tentativas de considerar o calor como substância material sujeito a pesagem resultavam em fracasso, pois verificava-se que os corpos aquecidos não pesavam mais do que quando frios. Para sair dessa dificuldade não se hesitou em optar pela atribuição ao calor da propriedade de imponderabilidade. [...]
Joseph Black, por volta de 1760, distanciou-se dos seus trabalhos no âmbito da química [...] e dedicou-se a estudar o calor, tema que o fascinava. [...] Fato igualmente importante foi Black ter feito uma distinção crucial entre os conceitos de calor e temperatura. Todavia é-lhe atribuída a sugestão da hipótese do calórico para explicar os fenômenos caloríficos. E mais uma vez esse fluido vinha cuidadosamente envolvido por uma série de estranhos atributos – indestrutível, imponderável, dotado de grande elasticidade, e auto repulsivo, tendo ainda a capacidade de, sob a influência de causas exteriores bem definidas, penetrar em todos os corpos. Deste modo cada corpo possuía o referido calórico que quando fluía para fora do mesmo fazia sentir esse fato pelo abaixamento da temperatura, e vice-versa. [...]
Assim, [...] a dilatação produzida pelo aquecimento explicava-se pela autorrepulsão do calórico; a água era uma combinação do gelo com calórico numa determinada proporção, e o vapor era outra combinação da água com uma maior percentagem de calórico; daí facilmente se explicava a passagem da água do estado sólido ao líquido e desse ao de vapor. [...] [...] Lavoisier, [...] por estranho que pareça, incluiu nessa tabela, [...] [do lado] do oxigênio, [...][nitrogênio], enxofre, ouro, etc., num total de 33 elementos, esse pseudoelemento, designado “calórico”. Chega a escrever “o calórico combina-se com o sólido formando o líquido, que combinando-se com o calórico forma o gás”. [...] Contudo, numa memória apresentada em 1783, juntamente com Pierre Simon Laplace (1749-1827), à Academia das Ciências, Lavoisier reconhece estarem os físicos divididos quanto à natureza do calor – um fluido que penetra nos corpos consoante a sua temperatura e a sua capacidade para o reter, ou o resultado da agitação das partículas constituintes da matéria. [...] Armando A. de Sousa e Brito. “Flogisto”, “calórico” e “éter”. Ciência e Tecnologia dos Materiais, v. 20, n. 3 e 4, 2008. Disponível em: Yüklə 304,33 Kb. Dostları ilə paylaş:
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