Grandezas Físicas

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Você sabe dizer qual o volume de um copinho de café descartável?
E de uma lata de ervilhas?
E de uma caixa de leite?
E de um tanque de combustível de um carro médio?
E da caixa-d'água de onde você mora?
Volume
Você já utiliza várias medidas de volume em seu dia a dia e conhece as unidades mais
comuns de medida para expressar essa grandeza. Quer ver?
Agora precisamos lembrar como se chega ao cálculo do volume de um recipiente; como
converter as unidades de volume e, principalmente, saber como podemos usar esse
conhecimento para entender melhor as questões que afetam o nosso dia a dia, como as
mudanças climáticas, pro exemplo.
É importante lembrar que o volume indica o espaço ocupado por um corpo ou objeto.
Esse espaço é tridimensional; portanto, para calcular o volume, precisamos de três
dimensões: comprimento, largura e altura.
Para explicar isso melhor, considere por exemplo uma pequena caixa-d'água com as
seguintes dimensões: 1 metro de comprimento por 1 metro de largura e 1 metro de
altura. Sabendo que o cálculo do volume é dado por:
comprimento x largura x altura
Qual o volume dessa caixa-d'água?
Resposta:
1 m x 1 m x 1 m = 1m³ (1 metro cúbico)
A União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC, sigla em inglês) adota o
Sistema Internacional de Unidades (SI) em suas publicações. No SI o volume é expresso
em metros cúbicos (m³).
Em Química, como trabalhamos com volumes pequenos (pequena escala), utilizamos
muito o litro (L) e o mililitro (mL), sendo 1 mL igual a 1 cm³.
Os fatores de conversão são:
Para medir, comparar e tentar entender como ocorrem
as transformações naturais ao reproduzi-las em
laboratório, os químicos utilizam uma série de grandezas
físicas, como volume, massa, densidade, pressão,
temperatura, calor, etc.
GRANDEZAS
FÍSICAS
1 m³ = 1.000 L (ou 10³ L)
1 L = 1.000 mL (ou 10³ mL)
1 m³ = 1.000.000 mL (ou 106 mL)
Índice pluviométrico
A medida do volume de chuva é dada pelo índice pluviométrico, fornecido em milímetros, que expressa
diretamente a quantidade de chuva em L/m³.
Para entender por que, considere, por exemplo, que em uma área igual a 1 metro quadrado (1 m²), a água da
chuva tenha atingido uma altura (h) igual a 1 milímetro (1 mm). Qual o volume de chuva nessa área?
Dado que 1 metro equivale a 1.000 mm e, portanto 1 mm equivale a 10-³, passando todos os dados para a
mesma unidade (metros), calculamos o volume de chuva nessa área:
1 m x 1 m x 10-³ = 10-³ m³
Passando esse valor para litros (para ter uma dimensão melhor da quantidade de chuva, já que é mais habitual a
unidade litros do que a unidade metros cúbicos), tem-se:
1 m³ ------ 1.000 L (ou 10³L)
10-³ m³ ---- x = 1 L
Conclusão: a altura (h) em mm de chuva em uma área de 1 m² pode ser expressa diretamente em L/m².
Massa
Geralmente quem faz dieta se preocupa em conseguir um aumento de massa muscular e uma diminuição da
massa de gordura. Isso muitas vezes se traduz em um ganho de massa total (músculos "pesam" mais do que
gordura), mas também se reflete em um organismo mais esbelto e saudável.
Mas o que significa aumento ou diminuição de massa? E, afinal, massa e peso são de fato a mesma coisa
(usualmente são tratados como sinônimos) ou são grandezas diferentes? Vejamos.
Toda medida de massa é sempre uma comparação com um padrão escolhido adequadamente. Quando se diz
que uma pessoa tem massa igual a 70 kg, isso significa que, em comparação ao padrão escolhido, o quilograma,
a massa dessa pessoa é setenta vezes maior.
O quilograma, por sua vez, não é adequado para medir a massa de uma aliança de ouro ou de um caminhão de
carga. Nesses casos, é mais adequado, respectivamente, o uso do grama e da tonelada como padrão.
Em laboratórios químicos de pequena escala utiliza-se frequentemente o grama e o miligrama; já na indústria
química, que trabalha em grande escala, utiliza-se a tonelada (t).
O SI e, portanto, a IUPAC adotam o quilograma como padrão de medida de massa.
1 t = 1.000 kg (ou 10³ kg) e 1 t = 1.000.000 g (ou 106 g)
1 kg = 1.000 g (ou 10³ g) e 1 kg = 1.000.000 mg (ou 106 mg)
Peso
E o que é peso? Podemos utilizar a palavra peso como sinônimo de massa?
O nosso peso é a força com que a Terra nos atrai para a sua superfície. De um modo mais formal, podemos dizer
que peso é uma força que aparece nos corpos devido a uma atração gravitacional entre massas. Por isso, aqui na
Terra, o peso de um corpo indica a força gravitacional que o planeta exerce sobre a massa desse corpo.
Concluímos então que massa e peso são conceitos totalmente distintos e não podem ser tratados como
sinônimos. Todo corpo tem massa, mesmo que esteja isolado no Universo, mas só terá peso se estiver próximo a
algum outro corpo com massa significativa que sofre sua atração. Matéria isolada não tem peso.
Por isso é que podemos perguntar: "Qual a massa da Lua?" Mas, se quisermos saber qual o peso da Lua, teremos
de especificar: em relação à Terra? Em relação ao Sol?
Por exemplo: a massa de um astronauta é a mesma, independentemente de ele estar na Lua ou na Terra, mas
seu peso na Lua é apenas 1/6 do peso que ele apresenta na Terra.
Em outras palavras, o peso é uma força relacionada à atração da gravidade. A lei da gravidade foi definida por
Isaac Newton em 1665, quando ele afirmou que a Terra exerce uma força constante sobre os corpos livres, e que
essa força é diretamente proporcional à massa.
Densidade
Considerando a atração gravitacional do planeta Terra, responda: o que pesa mais 1kg de chumbo ou 1kg de
algodão?
Na realidade o peso é o mesmo, pois apresentam a mesma massa. Porém, a massa de 1kg de chumbo ocupa um
volume bem menor do que a massa de 1kg de algodão. Dizemos que o chumbo é muito denso (sua massa se
concentra em um pequeno volume) e o algodão é pouso denso (sua massa se espalha em um grande volume).
A densidade (ou massa específica) é a relação entre a massa
(m) e o volume (v) de determinado material (seja ele sólido,
líquido ou gasoso).
Expressão matemática da densidade:
O volume é uma grandeza física que varia com a temperatura e a pressão e, embora a massa não vale, como a
densidade de um material depende do volume que ele ocupa, só podemos considerar um valor de densidade se
especificarmos as condições de temperatura e pressão em que esse valor foi determinado.
A água, por exemplo, possui densidade máxima igual a 1g/cm³ na temperatura de 3,98ºC ou 4ºC, sob pressão de
1 atm (ainda líquida). Por questões de simplificação, considera-se a água líquida em qualquer temperatura com
densidade igual a 1g/cm³. Mas, no estado sólido, a densidade da água diminui cerca de 0,92g/cm³.
A partir da diferença de densidade entre o gelo (0,92g/cm³) e a água líquida gelada (1,0g/cm³), calcula-se que
são necessários apenas cerca de 92% do volume do gelo para igualar a massa de água que ele desloca. Por isso,
quando colocamos gelo em um copo de água, cerca de 92% do cubo de gelo fica abaixo da superfície da água e
apenas 8% fica acima da superfície. É isso que faz os icebergs serem tão perigosos para a navegação.
Como materiais menos densos flutuam em materiais mais densos, o gelo flutua na água.
Esse comportamento da água é anômalo e intrigou os cientistas por muito tempo, pois, em geral, os materiais
são mais densos quando estão no estado sólido, já que a princípio ficam mais compactos.
Essa propriedade incomum da água é importantíssima em relação à manutenção da vida.
Observe: quando a temperatura ambiente cai para abaixo de zero, ocorre o congelamento da água na superfície
dos lagos e mares; por ter densidade menor, a camada de gelo permanece na superfície.
Abaixo da camada de gelo formada, a água continua na fase líquida, permitindo a continuidade da vida animal e
vegetal.
Quando chega o verão, a temperatura aumenta e o gelo derrete. Se ocorresse o contrário, ou seja, se a água na
fase sólida fosse mais densa que a água na fase líquida, o gelo formado no inverno (principalmente no hemisfério
norte) iria para o fundo dos lagos e mares. Nessas condições, dificilmente o gelo se fundiria quando chegasse o
verão e, em pouto tempo,a vida animal e vegetal estaria comprometida.
Outro fator importante é que a água atinge uma densidade máxima a 4ºC, ou seja, ainda na fase líquida. Assim,
durante a primavera ou o outono, quando as temperaturas das águas dos lagos e mares caem para valores
próximos a 4ºC, as águas superficiais tornam-se mais densas que as águas mais profundas. Por isso, elas se
deslocam para o fundo, misturando os nutrientes dissolvidos num movimento vertical denominado corrente de
convecção.
Também a quantidade de sal dissolvido na água (salinidade) influi na densidade e na formação das correntes
marítimas.
Temperatura e calor
A temperatura é uma grandeza física relacionada à energia térmica de um material e não depende da massa.
No Brasil, a unidade de temperatura mais utilizada é o grau Celsius, Cº. Em Química utiliza-se muito o kelvin, K,
denominado temperatura termodinâmica, que é adotada pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) e pela
IUPAC.
A variação de temperatura de 1ºC é igual à variação de 1K.
Os fatores de conversão são:
A temperatura corporal é um dos sinais vitais (como a respiração e a pulsação). A faixa da temperatura de um
adulto sadio varia entre 36,1ºC e 37ºC. A febre, que provoca um aumento da temperatura corporal, é a parte do
mecanismo de defesa do corpo. Em relação à infecção por microrganismos, as células brancas do sangue
produzem um material que age no cérebro para produzir febre.
A temperatura corporal mais alta ajuda a destruir os microrganismos invasores (estimulando a produção de
glóbulos brancos que os combatem, por exemplo).
A hipertermia é a temperatura corporal bem aumentada, acima de 41ºC, que pode resultar em ataque térmico.
Temperaturas extremamente altas, particularmente acima de 43ºC, podem ser fatais. Já a hipotermia é uma
temperatura corporal anormalmente baixa. Ela pode ser causada por exposição prolongada ao frio, perda severa
de sangue ou hipotireoidismo.
Embora a hipotermia possa também ser fatal, temperaturas corporais baixas - entre 32ºC e 26ºC - são
artificialmente induzidas para diminuir as necessidades de oxigênio durante certas intervenções cirúrgicas.
O calor é energia térmica em movimento (em trânsito). A energia térmica é transferida na forma de calor de um
corpo para outro, desde que haja diferença de temperatura entre eles.
A energia térmica na forma de calor sempre flui espontaneamente do corpo de maior temperatura (mais quente)
para o corpo de menor temperatura (mais frio), nuca o contrário.
Quando dois corpos com diferentes temperaturas são colocados em contato, ocorre transferência de energia na
forma de calor (do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura) até que os dois tenham atingido
uma mesma temperatura, intermediária às que tinham no início.
O calor depende da massa de um corpo.
Pressão
O conceito de pressão responde a todas essas perguntas; além disso, é de extrema importância para a Química.
Sempre que fazemos um experimento acerca do comportamento da matéria e de suas transformações,
precisamos anotar em que condições de temperatura e pressão o experimento foi feito, caso contrário pode ficar
muito difícil alguém conseguir reproduzi-lo.
E como surgiu o conceito de pressão?
Um problema técnico observado pelo físico e astrônomo Galileu Galilei (1564-1642) era a impossibilidade de se
bombear água para uma altura superior a 10,3 metros.
Para explicar esse fenômeno, o físico Evangelista Torricelli (1608-1647) propôs que o ar exerceria pressão sobre
o solo equivalente àquela exercida por uma coluna de água de 10,3 metros de altura.
Torricelli propôs também uma melhoria experimental que facilitou muito o estudo físico da pressão: em vez de
contrabalançar a pressão do ar com uma enorme coluna de agua, utilizou-se o mercúrio, que é cerca de 13,6
vezes mais denso que a água e consequentemente forma uma coluna 13,6 vezes menor.
A IUPAC e o SI adotam o pascal, Pa, como unidade de pressão: 1 pascal é a pressão exercida por uma força de 1
newton, uniformemente distribuída sobre uma superfície plana de 1 metro quadrado de área, perpendicular à
direção da força.
Experimento de Torricelli
Em 1643, Torricelli fez o seguinte experimento: encheu um tubo de vidro fechado (como um tubo de ensaio) com
mercúrio metálico até a borda. Colocou em uma cuba (espécie de bacia) uma boa quantidade de mercúrio. Em
seguida tampou a extremidade aberta do tubo e o inverteu, com a extremidade aberta submersa no mercúrio da
cuba.
Observou então que o nível de mercúrio desceu no tubo até uma determinada altura, produzindo-se vácuo em
sua extremidade superior, enquanto o nível de mercúrio contido na cuba subiu até um certo ponto. Quando o
sistema entrou em equilíbrio, a altura da coluna de mercúrio no tubo de Torricelli indicou a pressão atmosférica
local.
Fazendo-se esse experimento no nível do mar, verifica-se que o mercúrio desce no tubo até a marca de 76 cm ou
860 mm. O que faz o mercúrio dentro do tubo parar de descer e se estabilizar em determinada altura é
justamente a pressão que o ar atmosférico exerce sobre a superfície existente na cuba. Torricelli também
observou que a altura da coluna de mercúrio medida em um mesmo local não era sempre constante, mas variava
ligeiramente durante o dia e a noite. Concluiu, então, que essas variações mostravam que a pressão atmosférica
podia se alterar e que o sistema que ele inventou - denominado barômetro - era capaz de medir essas flutuações.
A pressão atmosférica depende da massa de ar existente no local, Conforme a altitude local aumenta, o ar vai
ficando capa vez mais rarefeito (a massa de ar diminui), portanto a pressão atmosférica vai se tornando
progressivamente menor.