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11 FÍSICA DIVERTIDA COM O PROF. IVÃ PEDRO NESSE CADERNO, VOCÊ ENCONTRARÁ OS SEGUINTES ASSUNTOS: CAPÍTULO 3 – TRANSMISSÃO DE CALOR ...........................................9 Conceitos de física térmica em sua vida.........................................9 Transmissão de calor..........................................................9 Corpo negro................................................................. 10 Os ventos e a convecção...................................................... 11 A transmissão de calor no vácuo...............................................11 Garrafa térmica..............................................................16 Efeito estufa............................................................... 16 2014Vitória da Conquista/Módulo VI/2014.Setembro – Física – Sistema Sêneca de Ensino

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NESSE CADERNO, VOCÊ ENCONTRARÁ OS SEGUINTES ASSUNTOS:

CAPÍTULO 3 – TRANSMISSÃO DE CALOR ..........................................................................................................9

Conceitos de física térmica em sua vida..............................................................................................................................9

Transmissão de calor.........................................................................................................................................................9

Corpo negro....................................................................................................................................................................10

Os ventos e a convecção..................................................................................................................................................11

A transmissão de calor no vácuo.......................................................................................................................................11

Garrafa térmica...............................................................................................................................................................16

Efeito estufa...................................................................................................................................................................16

2014Vitória da Conquista/Módulo VI/2014.Setembro – Física – Sistema Sêneca de Ensino

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CAPÍTULO 3 – TRANSMISSÃO DE CALOR

CAMINHAR SOBRE BRASAS É UM ANTIGO COSTUME QUE ENCONTROU ABRIGO NAS TRADIÇÕES JUNINAS DO NORDESTE E QUE TEM SIDO FREQUENTEMENTE ASSOCIADO A PODERES SOBRENATURAIS E A PRÁTICAS RELIGIOSAS E CRENDICES DIVERSAS. ELE TEM SERVIDO DE ARGUMENTO PARA EXIBIÇÕES DE FÉ E PRÁTICAS MÍSTICAS DAS MAIS VARIADAS. ENTRETANTO, APESAR DE SER AINDA UM TEMA ABERTO À DISCUSSÃO, O CAMINHAR SOBRE BRASAS PARECE SER UM FENÔMENO COMPLETAMENTE POSSÍVEL DE SER ENQUADRADO CIENTIFICAMENTE.

1- CONCEITOS DE FÍSICA TÉRMICA EM SUA VIDA O CALOR ESTÁ NO FOGÃO, NA COZINHA, NA CASA, NO PRÉDIO E NO MUNDO

A nossa cozinha é um bom lugar para compreendermos certos fenômenos físicos e fazermos uso de conceitos científicos. Quando queremos preparar ou aquecer nossa comida, utilizamos o fogo, as panelas, colheres, além, é claro, dos temperos e da própria comida. Você deve conhecer alguém que se queimou durante o preparo da comida, ao encostar a mão numa panela quente, ou ao pegar numa colher que foi esquecida dentro da panela, ou com a chama do fogão.Afinal, como é que a energia térmica do fogo passa pela panela, esquenta a comida e ainda chega até a colher, sendo

que às vezes até queima a mão? O próximo tópico nos ajudará a compreender melhor essas questões.

2 – TRANSMISSÃO DE CALOR

A energia térmica pode ser transmitida por três processos: condução, convecção e irradiação.

O que acontece com a colher de metal é um bom exemplo de calor de condução. A ponta da colher mergulhada na panela aquece e transmite essa energia térmica porque existe uma diferença de temperatura entre as duas pontas da colher. A energia vai da parte mais quente para a mais fria. A colher pode ser de madeira ou de metal e isso faz muita diferença, pois se você esquecer uma colher de metal, o cabo fica muito quente, já a de madeira fica com o cabo pouco quente. Isso ocorre porque o metal é melhor condutor de calor que a madeira, que é um isolante térmico, ou seja, tem maior dificuldade para transmitir a energia térmica.

Calor sendo transmitido através das moléculas

A tabela abaixo apresenta os valores padrões da condutividade térmica de alguns materiais. A energia térmica transmitida está expressa em quilocalorias (kcal) em relação à diferença de temperatura em graus Celsius (oC), e a espessura em metros (m) em relação à área em metros quadrados (m2) e tempo em segundos(s). Para facilitar a apresentação, simplificamos metro e metro quadrado, restando apenas a unidade no denominador. (kcal. m/oC.m2.s) = (kcal/oC.m.s).

VALORES TÍPICOS DA CONDUTIVIDADE TÉRMICA DOS MATERIAIS.Material Condutividade Material Condutividade Material CondutividadeCondutor térmica Isolante térmica Isolante térmica(Sólido) (kcal/°C.m.s) (Sólido) (kcal/°C.m.s) (Gás) (kal/°C.m.s)

Prata 0,099 Gelo 0,0004 Hidrogênio 0,000033

Cobre 0,092 Concreto 0,0002 Ar 0,0000057

Alumínio 0,049 Vidro 0,0002 Oxigênio 0,0000056Latão 0,026 Cortiça 0,00004    Aço 0,011 Madeira 0,00002    

Chumbo 0,0083 Amianto 0,00002    

Nessa tabela, temos na coluna da esquerda o nome do material e na coluna da direita o valor da condutividade térmica. Para facilitar comparações, os materiais foram separados em três grupos: condutores, isolantes sólidos e isolantes gasosos.

Vamos ver dois exemplos: o cobre é um condutor, à sua direita o valor 0,092 kcal/oC.m.s corresponde a sua condutividade térmica; o vidro é um isolante “sólido” e à sua direita o valor de sua condutividade térmica é 0,0002 kcal/oC.m.s.

Para estabelecer uma comparação e decidir qual desses dois materiais conduz melhor o calor vamos comparar a condutividade deles; o valor 0,092 do cobre é maior que 0,0002 do vidro, por isso o cobre é melhor condutor de calor do que o vidro.

O fluxo de calor ϕ conduzido através de uma região é dado pela expressão:

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Não esqueça:Calor é o nome dado ao processo de transmissão dessa forma de energia.

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Fluxo é uma grandeza semelhante à potência térmica. Logo, no SI é expressa em watts (W) apesar de serem mais usadas as unidades cal/s.

Processo de transmissão típico dos sólidos, onde os metais, em geral, possuem boa condutibilidade térmica. Os líquidos, com exceção do mercúrio, são maus condutores de calor por condução. A Lei de Fourier para a condução em regime estacionário determina que:

Onde K é a constante citada na tabela acima conhecida como coeficiente de condutibilidade térmica ou condutividade térmica.

IMPORTANTE

I - Se após receber certa energia radiante o corpo não transmitir nenhuma parcela desta, chamaremos tal corpo de OPACO OU ATÉRMICO e quando uma grande parte da energia incidente for transmitida, chamaremos o corpo de TRANSPARENTE OU DIATÉRMICO.

II - A parcela de energia responsável pelo aquecimento de um corpo é aquela que ele absorve.

III - Normalmente, um bom absorvedor de calor é também um bom emissor.

IV - Os fenômenos da emissão e transmissão são diferentes, pois quando nos referimos a emissão, estamos falando da energia emitida pelo corpo devido a sua temperatura e quando nos referimos a transmissão, falamos da energia que o corpo recebeu mas não refletiu nem absorveu.

DESENVOLVENDO COMPETÊNCIAS

1) Procure na tabela acima qual é o melhor isolante térmico sólido e qual é o melhor condutor térmico apresentado.

2) Associe os materiais sólidos apresentados na tabela com objetos e superfícies que precisam isolar ou conduzir.

3)O fato de o calor passar de um corpo para outro deve-se:

a) à quantidade de calor existente em cada um. b) à diferença de massa entre os dois corpos. c) à diferença de temperaturas entre eles. d) ao calor específico de cada corpo.

4) O calor conduzido através de uma parede, na unidade de tempo:

a) é inversamente proporcional à área da parede. b) é diretamente proporcional à espessura da parede. c) é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre as duas superfícies da parede. d) não depende do material de que é feita a parede.

e) nenhuma é correta.2.1 – CORPO NEGRO

Ou radiador perfeito é aquele que é capaz de absorver todas as radiações que incidam sobre ele. Não existe um corpo negro perfeito, mas a fuligem que se deposita no fundo das panelas se aproxima bastante do corpo negro, pois absorve 95% da energia radiante incidente. A experiência mostra que os bons absorventes de energia radiante são também bons emissores. Assim, o corpo negro seria o melhor radiador, ou seja, o radiador perfeito. O melhor resultado foi obtido usando um corpo oco construído com material opaco de grande poder de absorção.

Atenção: As superfícies metálicas polidas são bons refletores de energia radiante, e, portanto, maus absorventes, e, consequentemente, maus radiadores. Seria, por assim dizer, o oposto do corpo negro.

Na água que ferve, no ar que circula dentro da geladeira e na brisa do mar, o processo de convecção está presente.

A geladeira do Batman é um bom exemplo para nos fazer entender a transmissão de calor por convecção.

Você já reparou que, durante a fervura, a água fica rodando; nas geladeiras, as prateleiras são vazadas; a brisa do mar “sopra” para o oceano durante a noite e “sopra” para a terra durante o dia. Nesses casos, além da condução que ocorre na matéria, também se verifica outro processo de transmissão de energia térmica, a convecção, observada principalmente em líquidos e gases. A convecção é um processo de transmissão de energia térmica mais eficiente que a condução e é decorrente da diferença de densidade entre um material quente e o mesmo material frio. A densidade do material frio é maior que a do quente e, por isso, enquanto o frio “afunda”, o quente “sobe”, formando um ciclo. A água fervendo é um bom exemplo para se entender a convecção. A água no fundo da panela aquece por condução - estando mais quente, ela passa a ter uma densidade menor que a água fria na superfície da panela; assim, a água fria desce e a quente sobe, formando um ciclo. Parece com uma roda girando, enquanto uma parte desce a outra sobe.

A água faz esse mesmo movimento durante todo o aquecimento, mesmo antes de ferver, mas nós só conseguimos ver quando já está quase fervendo. Para ter certeza disso, basta espalhar sobre a água uma colher de chá com serragem, ou

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farelo de madeira, ou pó de café, e observar seu movimento enquanto a água está sendo aquecida.O processo de convecção transfere a energia térmica da maior temperatura para a menor temperatura; com o movimento causado pela diferença de densidade, transfere juntamente parte da matéria, tornando-o mais eficiente. Numa geladeira, normalmente, o congelador é colocado na parte superior do eletrodoméstico. O ar dentro da geladeira funciona como o transmissor da energia térmica. A energia térmica que o ar recebe dos alimentos é transmitida por condução; o ar aquecido passa a transmitir a energia por convecção para a parte de cima da geladeira, chegando ao congelador, onde é transmitida novamente por condução, entre o ar e o congelador.

O congelador é a parte da geladeira que bombeia a energia térmica para o radiador, que está fora da geladeira. O congelador resfria o interior, enquanto o radiador aquece o exterior. Se o congelador ficasse na parte de baixo, não haveria convecção, já que o ar mais frio e mais denso permaneceria em baixo e os alimentos na parte superior ficariam sem refrigeração.

A “bomba” de calor da geladeira depende fundamentalmente de duas transformações que ocorrem com a matéria. Uma é a vaporização, que é a transformação de uma substância líquida em gás; nessa transformação, o líquido retira energia térmica, no congelador, para se transformar em gás. A outra é a liquefação, que é a transformação do gás em líquido, que ocorre no compressor, e é necessária para que o ciclo possa ser repetido.

2.2 – OS VENTOS E A CONVECÇÃO

Com o entendimento do processo de convecção, vários fenômenos podem ser explicados, inclusive o vento e sua ação sobre o clima.

O vento é o deslocamento de uma massa de ar que ocorre devido à diferença de densidade provocada pela variação de temperatura. Uma massa que se encontra em contato com uma superfície quente do planeta – pode ser terra ou mar – é aquecida, torna-se menos densa e sobe. O espaço deixado pela movimentação do ar quente é preenchido com outra massa de ar frio. Este pode vir do alto – visto que a pressão atmosférica e, portanto, a temperatura diminuem com a altitude – ou pode se deslocar de outras superfícies mais frias. Um exemplo são as brisas que ocorrem nas praias. Durante o dia, a areia é mais quente que a água, logo a camada do ar localizada sobre a areia se eleva e a massa de ar sobre o mar ocupa esse espaço, provocando ventos no sentido do mar para o continente. À noite, o processo se inverte – o mar fica mais quente que a areia – e o sentido do vento é oposto.

2.3 – A TRANSMISSÃO DE CALOR NO VÁCUO

A luz e o calor do Sol são transmitidos pelo processo de irradiação Tanto na condução como na convecção é preciso que haja matéria para a transmissão da energia térmica, mas a energia térmica que vem do Sol não pode chegar até aqui por esses processos, já que entre a Terra e o Sol há pouca matéria. Ainda assim, recebemos a luz e o calor do Sol.

Quando nos sentamos próximos a uma fogueira, recebemos quase toda energia térmica que nos aquece por irradiação. Há também energia sendo transmitida por convecção, e para senti-

la basta colocar a mão acima da fogueira. Se você colocar um papelão entre você e a fogueira, apesar de não diminuir o processo de condução nem o de convecção, o papelão opaco consegue bloquear a radiação térmica, ou infravermelho, e imediatamente paramos de sentir o aquecimento. Basta retirar o papelão da frente para voltarmos a sentir imediatamente o aquecimento. Nesse caso, o papelão opaco consegue bloquear o processo de transmissão de energia por irradiação. Você já entrou num carro fechado depois de algumas horas ao Sol? Dentro dele fica muito quente, um

fenômeno parecido com o que ocorre nas estufas.

Da mesma forma que os carros, os prédios de metal com revestimento de vidro também acabam virando estufas. Eles são muito comuns em cidades grandes; apesar de muito bonitos, são gigantescas estufas.

Em locais de clima frio, como os países europeus ou do sul da América, esses prédios podem ser muito bons, pois armazenam a energia térmica, diminuindo a necessidade de aquecimento das instalações, mas num país tropical como o Brasil, o interior do prédio fica muito quente, sendo necessário um gasto enorme de energia elétrica com a refrigeração forçada do ar condicionado central.

Outros fenômenos térmicos que acontecem nas casas ou nos prédios também estão presentes na natureza. A grande diferença de temperatura nos desertos entre o dia e a noite é parecido com a diferença de temperatura no telhado de uma casa durante o dia e a noite. Num local muito frio, as paredes externas das casas são duplas, construídas com duas camadas de blocos ou tijolos com um espaço vazio deixado intencionalmente entre elas, para deixar uma camada de ar no local. Os animais utilizam o ar retido em seus pêlos para se proteger do clima frio e também do clima quente. Nós usamos roupas e cobertores que também retêm uma camada de ar entre a pele e o tecido, com essa mesma finalidade.

DESENVOLVENDO COMPETÊNCIAS

1) Freezer vertical x horizontalVá a um supermercado, na parte de congelados e de sorvetes, e verifique a existência de dois tipos de freezer: um cuja porta permanece fechada e outro que não tem porta, pois a parte de

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cima fica aberta. Compare os dois tipos de freezer. Onde deve estar o “congelador” de cada um deles?2) Como você explicaria o fato dos alimentos dentro do freezer horizontal permanecerem congelados mesmo com a porta aberta? Por que o vertical precisa ficar com a porta fechada para manter os alimentos congelados?

Existem eletrodomésticos chamados refrigeradores, que não possuem um congelador, mas têm um tubo de refrigeração que vai da parte de cima até a de baixo, exercendo a mesma função do congelador, bombeando o calor para fora. A temperatura que esse tubo atinge não é suficiente para o congelamento da água. Ela apenas resfria a geladeira por inteiro. Esse sistema também é utilizado em algumas geladeiras que têm um freezer na parte de baixo.

3) (ENEM - COMENTADO) A padronização insuficiente e a ausência de controle na fabricação podem também resultar em perdas significativas de energia através das paredes da geladeira. Essas perdas, em função da espessura das paredes, para geladeiras e condições de uso típicas, são apresentadas na tabela.

Considerando uma família típica, com consumo médio mensal de 200 kWh, a perda térmica pelas paredes de uma geladeira com 4 cm de espessura, relativamente a outra de 10 cm, corresponde a uma porcentagem do consumo total de eletricidade da ordem de

a) 30%. b) 20%. c) 10%. d) 5%. e) 1%.

4) Por que é importante ter, numa casa, um forro de madeira ou de isopor? Uma boa ventilação no telhado ajuda a resfriar a casa? Tente explicar usando os conceitos sobre os quais conversamos nesse texto.

5) Pense e responda: Por que os jangadeiros e pescadores saem para pescar com seus barcos à vela de madrugada e voltam à tarde?

6) Verifique na tabela do início do tópico 2 a condutividade térmica do ar e explique por que os animais, os casacos e os cobertores utilizam o ar como proteção para o frio.

7) O isopor é formado por finíssimas bolsas de material plástico, contendo ar. Por que o isopor é um bom isolante térmico?

8) Os esquimós constroem seus iglus com blocos de gelo, empilhando-os uns sobre os outros. Se o gelo tem uma temperatura relativamente baixa, como explicar esse seu uso como "material de construção"?

9) Num antigo jingle de uma propaganda, ouvia-se o seguinte diálogo: - Toc, toc, toc, - Quem bate? - É o frio! E no final eram cantados os seguintes versos: "Não adianta bater, eu não deixo você entrar, os cobertores das Casas Pernambucanas é que vão aquecer o meu lar". Que comentário você tem a fazer sobre a veracidade física dessa propaganda?

10) Um faquir resolveu fazer uma demonstração de sua arte entrando em um forno muito aquecido. Para que ele sinta a

menor sensação de "calor" possível, é preferível que ele vá nu ou envolto em roupa de lã? Por quê? 11) Num mesmo ambiente, se você tocar um objeto metálico com uma mão e um objeto de madeira com a outra, vai sentir que o primeiro está "mais frio" que o segundo. Como você explica esse fenômeno se os dois objetos estão no mesmo ambiente e, portanto, na mesma temperatura?

12) Cenas de filmes mostram habitantes de regiões áridas atravessando desertos usando roupas compridas de lã e turbantes. Como você explica o uso de roupas "quentes" nesses lugares onde as temperaturas atingem 50oC?

13) Em dias quentes as pessoas gostam de pisar em chão coberto com cerâmica pois "sentem" que é mais frio que o carpete. Esta "sensação" significa que a cerâmica se encontra a uma temperatura inferior a do carpete?

14) Por quê panelas de barro são usadas para preparar alguns alimentos e servi-los quente à mesa enquanto as de alumínio só são usadas para levar o alimento ao fogo?

15) (ENEM - COMENTADO) Umidade relativa do ar é o termo usado para descrever a quantidade de vapor de água contido na atmosfera. Ela é definida pela razão entre o conteúdo real de umidade de uma parcela de ar e a quantidade de umidade que a mesma parcela de ar pode armazenar na mesma temperatura e pressão quando está saturada de vapor, isto é, com 100% de umidade relativa. O gráfico representa a relação entre a umidade relativa do ar e sua temperatura ao longo de um período de 24 horas em um determinado local.

Considerando-se as informações do texto e do gráfico, conclui-se que

a) a insolação é um fator que provoca variação da umidade relativa do ar.b) o ar vai adquirindo maior quantidade de vapor de água à medida que se aquece.c) a presença de umidade relativa do ar é diretamente proporcional à temperatura do ar.d) a umidade relativa do ar indica, em termos absolutos, a quantidade de vapor de água existente na atmosfera.e) a variação da umidade do ar se verifica no verão, e não no inverno, quando as temperaturas permanecem baixas.

16) (ENEM - COMENTADO) 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

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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.

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 calg-1 ºC-1 = 4.200 J.kg.-1 ºC-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

a) 15m e 21m b) 22m e 30m c) 105m e 125m d) 680m e 710m e) 6.700m e 7.150m.

17) (ENEM - COMENTADO) Numa área de praia, a brisa marítima é uma conseqüência 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).

À noite, ocorre um processo inverso ao que se verifica durante o dia.

Como a água leva mais tempo para esquentar (de dia), mas também leva mais tempo para esfriar (à noite), o fenômeno noturno (brisa terrestre) pode ser explicado da seguinte maneira:

a) 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.b) O ar mais quente desce e se desloca do continente para a água, a qual não conseguiu reter calor durante o dia.c) 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.d) O ar que está sobre a água se esfria, criando um centro de alta pressão que atrai massas de ar continental.e) O ar sobre o solo, mais quente, é deslocado para o mar, equilibrando a baixa temperatura do ar que está sobre o mar.

COMENTANDO O ENEM

QUESTÃO 3Um pouco mais de isolamento térmico. Em fogões e geladeira é comum encontrar recheando as paredes lã de vidro, um bom isolante. Quanto melhor o isolamento, menos calor irá atravessar a parede. Vejamos a tabela: para 4cm de parede, a perda é de 35KWh e para 10 cm é de 15KWh. Comparando, com a parede mais fina perde-se, a mais, 35 – 15 = 20KWh. De cabeça mesmo, isto é 10% de 200KWh que a família gasta!

QUESTÃO 15Habilidade: H17 – Relacionar informações apresentadas em diferentes formas de linguagem e representação usadas nas ciências físicas, químicas ou biológicas, como texto discursivo, gráficos, tabelas, relações matemáticas ou linguagem simbólica.Além de definir o conceito de umidade relativa do ar, a questão o explora em um gráfico de fácil interpretação. Observando o mesmo, nota-se claramente que enquanto a temperatura sobe, a umidade cai e vice-versa. Corrigindo, com o gráfico já interpretado, ao amanhecer, quando o sol bate, a umidade diminui. À noite, o contrário, o sol se põe e a umidade cresce. Correta é a opção A. Quanto às outras...B – É o contrário. A linha pontilhada mostra a temperatura subindo e a umidade, linha contínua, caindo. C – Quando a proporção é direta, duas grandezas aumentam ou diminuem juntas! Não o contrário, uma sobe e outra cai. D – Como o próprio texto explica, a umidade é relativa. Mede-se a quantidade de vapor em relação (dividido) pela quantidade de vapor máximo. É uma razão (divisão), não a quantidade exata de vapor no ar.E – O gráfico só mostra temperaturas baixas: de – 2 ºC a – 6 ºC, típicas de um inverno rigoroso no Brasil! E ocorrem variações, portanto, não significa que só no verão.

QUESTÃO 16Habilidade: H21 – Utilizar leis físicas e (ou) químicas para interpretar processos naturais ou tecnológicos inseridos no contexto da termodinâmica e(ou) do eletromagnetismo.Questão que precisa ser feita em várias etapas, e que envolve a transformação de energia solar em calor. Precisaremos de fórmulas, básicas na Física, é verdade. E conversões entre unidades. A primeira, e mais óbvia, é que 1 ton = 1.000 kg. Podemos calcular a quantidade de calor necessário para aquecer de 20 a 100 ºC a referida água. As contas:Q = mcΔT =1000..4200.(100 − 20)

Q = 4, 2.106.80 = 336.106 J

Agora, levando em conta o prazo, 1 h = 3.600 s, temos a potência que o sol irradia na superfície da Terra por unidade de

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área e precisamos saber justamente esta a área, necessária para coletar a energia que já calculamos. A primeira etapa será saber qual a potência demandada:

P = E/tempoP = 336.106/3600 = 9,33. 104 W

E, assim, saberemos a área, certamente a conta mais chata... Poderia calcular diretamente do dado “800 W/m2”, mas a maioria dos alunos certamente vai raciocinar como uma regra de três, ou seja, uma proporção. Assim:

x = 116,6 m2

A área de uma figura retangular, como a abertura do espelho parabólico de 6 m de largura, depois de tudo isto, é simplesmente um lado vezes o outro! Assim, e após tanto trabalho:

QUESTÃO 17Este é um fenômeno bem conhecido de todos: a formação de ventos na beira da praia.Envolve alguns conceitos da Física Térmica. Primeiramente, o conceito de CALOR ESPECÍFICO. O calor específico da água é maior que o da areia (terra). Assim, durante o dia, a água demora mais para esquentar, e o ar sobre ela fica então mais frio.São formadas CORRENTES DE CONVECÇÃO: o ar mais quente sobre a terra fica menos denso, e sobe. Então, o ar mais frio sobre a água “vem ocupar seu lugar”, fazendo o vento soprar do mar para terra.À noite, o ar sobre a água está mais quente, menos denso e sobe. Como o ar subiu, sobre o mar fica um “vazio”, região de baixa pressão. O ar mais frio e mais denso sobre a terra, sob maior pressão, “vem ocupar seu lugar”, e o vento sopra de terra para mar. Assim, letra a.

ATIVIDADES PARA SALA

1) Para diminuir as perdas térmicas de uma geladeira, podem ser tomados alguns cuidados operacionais:I. Distribuir os alimentos nas prateleiras deixando espaços vazios entre eles, para que ocorra a circulação do ar frio para baixo e do quente para cima.II. Manter as paredes do congelador com camada bem espessa de gelo, para que o aumento da massa de gelo aumente a troca de calor no congelador.III. Limpar o radiador (“grade” na parte de trás) periodicamente, para que a gordura e a poeira que nele se depositam não reduzam a transferência de calor para o ambiente.Para uma geladeira tradicional é correto indicar, apenas:

a) a operação I. d) as operações I e III.b) a operação II. e) as operações II e III.c) as operações I e II.

2) Uma garrafa de vidro e uma lata de alumínio, cada uma contendo 330 mL 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) a lata está realmente mais fria, pois a capacidade calorífica da garrafa é maior que a da lata.b) a lata está de fato menos fria que a garrafa, pois o vidro possui condutividade menor que o alumínio.c) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, possuem a mesma condutividade térmica, e a sensação deve-se à diferença nos calores específicos.d) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, e a sensação é devida ao fato de a condutividade térmica do alumínio ser maior que a do vidro.e) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, e a sensação é devida ao fato de a condutividade térmica do vidro ser maior que a do alumínio.

3) Ainda hoje, é muito comum as pessoas utilizarem vasilhames de barro (moringas ou potes de cerâmica não esmaltada) para conservar água a uma temperatura menor do que a do ambiente. Isso ocorre porque:

a) o barro isola a água do ambiente, mantendo-a sempre a uma temperatura menor que a dele, como se fosse isopor.b) o barro tem poder de “gelar” a água pela sua composição química. Na reação, a água perde calor.c) o barro é poroso, permitindo que a água passe através dele. Parte dessa água evapora, tomando calor da moringa e do restante da água, que são assim resfriadas.d) o barro é poroso, permitindo que a água se deposite na parte de fora da moringa. A água de fora sempre está a uma temperatura maior que a de dentro.e) a moringa é uma espécie de geladeira natural, liberando substâncias higroscópicas que diminuem naturalmente a temperatura da água.

4) Em relação ao processo de transferência de calor do lado quente para o lado frio, considere uma barra de alumínio de 25cm de comprimento e área de seção transversal de 5cm2. Uma das extremidades dessa barra é mantida a 0°C por uma mistura de gelo e água, e a outra extremidade mantida a 100°C por uma câmara de vapor de água. Admitindo-se que o coeficiente de condutividade térmica do alumínio é igual a 0,5 cal/s.cm.°C e o calor latente de fusão é igual a 80cal/g, pode-se concluir que a massa de gelo que se funde em 10 minutos, é igual, em gramas, a

a) 32,0 b) 54,0 c) 75, 0 d) 83, 0 e) 97,0

5) Duas salas idênticas estão separadas por uma divisória de espessura L = 5,0 cm, área A = 100m2 e condutividade térmica H = 2,0W/mK. O ar contido em cada sala encontra-se, inicialmente, à temperatura T2 = 47°C e T1 = 27°C, respectivamente. Considerando o ar como um gás ideal e o conjunto das duas salas um sistema isolado, calcule o fluxo de calor através da divisória relativo às temperaturas iniciais T2 e T1.

6) 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

01) 5,4 02) 54 03) 540 04) 5400 05) 54000

7) Calor é uma forma de energia que é transferida entre dois sistemas quando entre eles existe uma diferença de temperatura, e a transferência pode ocorrer por condução,

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convecção ou radiação. A respeito desse assunto, assinale o que for correto.I. Na condução, a transferência de calor ocorre de partícula a partícula, dentro de um corpo ou entre dois corpos em contato.II. A transferência de calor em um meio fluido ocorre por convecção.III. Na radiação, a transferência de calor entre dois sistemas ocorre através de ondas eletromagnéticas.IV.O fluxo de calor através de um corpo é inversamente proporcional á sua espessura.V. A energia irradiada por um corpo, na unidade do tempo, é diretamente proporcional á quarta potência da sua temperatura absoluta.

a) Apenas I e III estão corretas.b) Apenas II e IV estão corretas.c) I, II e III estão corretas.d) II, III, IV e V estão corretas.e) Todas estão corretas.

RASCUNHO

RINDO E REFLETINDO

Após se matricular em nosso curso você será capaz de discutir questões, tais como:

1) Um amigo lhe diz que a temperatura dentro de um forno é 500 e que a temperatura no interior de certa estrela é 50000. Você está incerto se seu amigo se refere a graus Celsius ou a Kelvins. Que diferença isso faz em cada caso? Você terá que usar seus poderes paranormais ou conseguirá raciocinar?

2) Você vai encantar plateias em todo o mundo!!! Andará descalço, usando o poder da mente, sobre carvões em brasa!!! Será que isso se consegue com evolução mental ou é mais um dos truques da física? Sabemos que a madeira tem uma condutividade muito baixa. Ela ainda terá uma condutividade tão baixa se estiver muito quente – ou seja, no estágio em que ela está queimando sem chama, como carvão em brasa? Você poderia caminhar com segurança com os pés descalços sobre uma cama coberta com pedaços de carvão em brasa? Embora os carvões estejam muito quentes, haverá muito calor sendo conduzido deles para seus pés se você andar rápido? Você poderia fazer o mesmo com pedaços de ferro em brasa no lugar dos carvões? Explique. Cautela (se não fez nosso curso de paranormal): os pedaços de carvão podem grudar nos seus pés, de modo que...UUUH – não tente fazê-lo!

3) Você está com frio. Como atrasou a mensalidade de nosso curso, seus poderes mediúnicos foram bloqueados e numa noite de fria de inverno você não consegue se aquecer. Alguém sugeriu levar consigo para a cama um material quente. O que seria melhor para mantê-lo aquecido durante a fria noite – um bloco de ferro com 10kg ou um recipiente com 10kg de água quente na mesma temperatura? Explique.

4) Após o frio, veio a fome. Você resolveu assaltar a geladeira no meio da noite, para tomar um suco de melancia e comer um sanduíche de ovo com mortadela (você ainda não é um médium rico e famoso!). Ficou curioso porque a melancia manteve-se fria por um tempo mais longo do que os sanduíches. Por que isso ocorreu?

5) Nossas avaliações finais (para você ganhar o diploma de DÍSCIPULO DO OSMAR CAÔSO) serão nas escaldantes areias do deserto do SAARA. Lá, você percebeu que a areia é muito quente durante o dia e muito fria durante a noite. Isso é

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apenas ilusão ou tem alguma coisa a ver com um tal de calor específico da areia? (quem é esse médium?) Comente.

1 – GARRAFA TÉRMICA As garrafas térmicas são recipientes destinados a impedir a troca de calor entre seu conteúdo e o meio ambiente. Foi originalmente desenvolvida por volta de 1890 por James Dewar para armazenar gases liquefeitos mantidos em temperaturas muito baixas. Em virtude da simplicidade com que são construídas e facilidade de manejo que oferecem, passaram a ter um amplo emprego; as mais conhecidas são as de uso doméstico, que servem para manter os líquidos quentes ou frios por longos períodos de tempo. Existem apenas três maneiras pelas quais o calor pode ser transferido de um meio a outro: a condução, a convecção e a radiação. A transferência por condução ocorre de modo mais acentuado nos sólidos; decorre da transmissão do movimento molecular por colisões entre as moléculas. Na convecção, transferência de calor que se observa nos líquidos e gases, as moléculas aquecidas e, portanto, menos densas, tomam as partes superiores do recipiente que contém o fluido, enquanto as partículas frias vão para o fundo do recipiente. Funcionam dessa forma os sistemas de aquecimento por serpentina. A transferência por radiação decorre da propriedade que todo corpo tem de emitir radiação eletromagnética (na faixa do infravermelho) que, ao atingir um material, é absorvida por este e sua energia é transformada em calor. As garrafas térmicas são constituídas basicamente de um vaso de vidro com paredes duplas, distanciadas entre si cerca de1 cm. No processo de fabricação, o ar é retirado (parcialmente, pois é impossível obter o vácuo perfeito) do espaço entre as paredes através de um orifício que a seguir é selado. Com isso reduz-se consideravelmente a transferência de calor tanto por condução como por convecção. Para que seja mínima a transferência por radiação, as superfícies das paredes são revestidas de prata, o que as torna altamente espelhadas. Assim as radiações são refletidas internamente sem que haja transmissão para o exterior. Como o vidro é muito frágil, o vaso é acondicionado em um recipiente de metal ou plástico. A rolha para fechamento da garrafa é geralmente oca e feita de borracha ou plástico, que oferecem bom isolamento térmico. Não existem isolantes perfeitos, há sempre alguma perda de calor através da tampa, por melhor que seja o isolante térmico utilizado. Assim, se colocarmos líquido quente no interior da garrafa, o líquido vai se esfriando, embora muito lentamente.

2 – PANELA DE PRESSÃO

A água ferve normalmente a 100º C, ao nível do mar e num recipiente aberto. Qualquer 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, depois que a água já estiver fervendo, estará apenas desperdiçando gás. O que estiver dentro da água levará o mesmo tempo para cozinhar. O excesso de calor produzirá apenas a evaporação mais rápida da água. É possível, entretanto, tornar a água mais quente que 100º C, 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 120º C.

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 ao lado 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 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. A panela de pressão foi inventada pelo físico francês Denis 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 em 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 madeira) 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.

3 – EFEITO ESTUFA

O Sol envia continuamente para o nosso planeta uma enorme variedade de energia. Por causa da alta temperatura do Sol, a radiação solar é formada por ondas de alta freqüência – ultravioleta, luz visível e ondas da parte mais alta da região de infravermelho do espectro. A atmosfera é transparente a

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FÍSICA NOSSA DE CADA DIA

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grande parte dessa radiação, especialmente à luz visível, de modo que a radiação solar alcança facilmente a superfície da Terra, onde é absorvida. A superfície terrestre, por sua vez, “reirradia” parte dessa energia. Mas como a temperatura da superfície terrestre é relativamente mais fria, ela “reirradia” a energia em baixas freqüências – principalmente nos comprimentos de onda mais longos do infravermelho.

Determinados gases atmosféricos (principalmente vapor d’ água e gás carbônico) absorvem e “re-emitem” grande parte dessa radiação de comprimento de onda longo de volta para a Terra. De modo que a radiação de comprimento de onda longo, que realmente não escapa da atmosfera terrestre, ajuda a mantê-la aquecida. Afirmamos, assim, que a atmosfera é opaca aos raios infravermelhos. Esse processo é muito bom, pois sem ele a Terra seria gélida – cerca de – 18°C. A absorção e a emissão prosseguem a taxas iguais até produzirem uma temperatura média de equilíbrio. Nos últimos 500.000 anos a temperatura média da Terra flutuou entre 19ºC e 27°C, e presentemente está no ponto máximo de 27ºC. A temperatura da Terra aumenta quando aumenta a incidência de energia radiante ou quando diminui o escape de radiação terrestre.

Dessa forma, o efeito estufa é o aquecimento da atmosfera mais baixa, o efeito dos gases atmosféricos sobre o balanço entre a radiação solar e a radiação terrestre. Nosso problema ambiental atual que é o excesso de dióxido de carbono e outros dos assim chamados “gases do efeito estufa” retêm energia a mais e tornam a Terra quente demais’.

Portanto, de novo, parte do efeito estufa pode ser precisamente o que a Terra precisa para prevenir uma próxima idade do gelo. Mas ainda não dispomos de informação suficiente a respeito para ter certeza.

O efeito estufa atmosférico recebeu este nome a partir das estufas de vidro usadas pelos fazendeiros e floristas para “prender” a energia solar. O vidro é transparente às ondas da luz visível, mas opaco as radiações ultravioleta e infravermelha. O vidro atua como uma espécie de válvula unidirecional. Ele permite que a luz visível entre na estufa, mas impede os comprimentos de ondas mais longos de deixá-la. Assim, os comprimentos de ondas curtos da luz solar atravessam o telhado de vidro da estufa e são absorvidos pelo solo e pelas plantas em seu interior. O solo e as plantas, por sua vez, emitem ondas de infravermelho com comprimentos de ondas longos. Essa energia não consegue atravessar o vidro e sair, o que aquece o interior da estufa.

Curiosamente, nas estufas dos fazendeiros e floristas, o calor é mantido principalmente pela habilidade do vidro de impedir que as correntes de convecção misturem o ar mais frio do exterior com o ar mais quente do interior. O efeito estufa desempenha um papel mais importante no aquecimento global da Terra do que no aquecimento das estufas.

O relatório do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) afirma que boa parte das mudanças no clima nas últimas décadas é consequência das emissões de dióxido de carbono (CO2) na atmosfera– o maior responsável pelo efeito estufa. A emissão de CO2 aumentou muito desde a revolução industrial, sendo agravada por algumas atividades humanas, principalmente pela queima de combustíveis fósseis

e pelas mudanças no uso da terra com o avanço da agricultura e do desmatamento.

Catástrofes ambientais se anunciam e algumas mudanças parecem irreversíveis mesmo que o homem diminua as emissões de gases de efeito estufa. A temperatura média global deve aumentar em até 6,4ºC. Esse aumento excessivo de temperatura pode, por exemplo, fazer o gelo do Pólo Norte

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desaparecer até a virada do século. Com isso, a elevação do nível dos oceanos é outro efeito esperado devido ao derretimento dessas geleiras, aliada à expansão da água provocada pelo aumento da temperatura. O aquecimento global deve intensificar ainda a atividade de tempestades tropicais e furacões. Medidas deverão ser tomadas para minimizar esses efeitos, como por exemplo: substituir usinas termoelétricas por nucleares, o uso do carvão pelo gás natural, a redução do desmatamento, a adoção de frotas compostas de veículos elétricos ou híbridos mais eficientes e a criação de uma “segunda geração” de biocombustíveis.

DESENVOLVENDO COMPETÊNCIAS

1) Se o vidro é transparente à luz visível, porque é opaco aos raios infravermelhos?

2) Que sugestões você poderia citar para minimizar os efeitos do aquecimento global?

3) Explique, com suas palavras, o que é o Efeito Estufa.

4) (ENEM – COMENTADO) A Terra e 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 1 W/m2. Isso significa que a Terra acumula, anualmente, cerca de 1,6 × 1022 J. Considere que a energia necessária para transformar 1 kg 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 a) 20 e 40 b) 40 e 60 c) 60 e 80 d) 80 e 100 e) 100 e 120.

COMENTANDO A QUESTÃO 4

Questão envolvendo o atual e importante tema do aquecimento global da Terra devido à má atuação do homem. Poluição decorrente das queimas: florestas, combustíveis pelos carros, indústria, etc. O calor que vem do Sol chega à Terra e como não estamos encostados em nada nem envoltos em uma nuvem gasosa englobando o espaço ao nosso redor (do planeta), não conseguimos perder calor nem por condução nem por convecção, apenas irradiando por ondas de volta ao espaço. Nosso saldo tem sido positivo: ganhamos mais calor do que conseguimos irradiar de volta. As conseqüências podem ser catastróficas!Como a questão forneceu os dados de maneira simples, inclusive números a mais do que o necessário para a solução, o que confundiu uma porção de alunos, não é nada complicada. Temos:

- 1,6 × 1022 J de energia sobrando por ano;- 3,2 × 105 J para derreter cada kg de gelo. Então:

Mas, queremos a resposta em trilhões de toneladas! 1 ton = 103

kg. Trilhão = 1012 .

Assim, 1 trilhão de toneladas = 1015 kg!Logo, 5.1016 kg = 50.1015 kg = 50 trilhões de toneladas. Letra b.

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