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APRESENTAÇÃO 3GE FÍSICA 2016 O passo final é reforçar os estudos sobre atualidades, pois as provas exigem alunos cada vez mais antenados com os principais fatos que ocorrem no Brasil e no mundo. Além disso, é preciso conhecer em detalhes o seu processo seletivo – o Enem, por exemplo, é bem diferente dos demais vestibulares. arrow COMO O GE PODE AJUDAR VOCÊ O GE Enem e o GE Fuvest são verda- deiros “manuais de instrução”, que mantêm você atualizado sobre todos os segredos dos dois maiores vestibulares do país. Com duas edições no ano, o GE ATUALIDADES traz fatos do noticiário que po- dem cair nas próximas provas – e com explicações claras, para quem não tem o costume de ler jornais nem revistas. Um plano para os seus estudos Este GUIA DO ESTUDANTE FÍSICA oferece uma ajuda e tanto para as provas, mas é claro que um único guia não abrange toda a preparação necessária para o Enem e os demais vestibulares. É por isso que o GUIA DO ESTUDANTE tem uma série de publicações que, juntas, fornecem um material completo para um ótimo plano de estudos. O roteiro a seguir é uma sugestão de como você pode tirar melhor proveito de nossos guias, seguindo uma trilha segura para o sucesso nas provas. O primeiro passo para todo vestibulando é escolher com clareza a carreira e a universidade onde pretende estudar. Conhecendo o grau de dificuldade do processo seletivo e as matérias que têm peso maior na hora da prova, fica bem mais fácil planejar os seus estudos para obter bons resultados. arrow COMO O GE PODE TE AJUDAR O GE PROFISSÕES traz todos os cursos superiores existentes no Brasil, explica em detalhes as caracte- rísticas de mais de 260 carreiras e ainda indica as instituições que oferecem os cursos de melhor qualidade, de acordo com o ranking de estrelas do GUIA DO ESTUDANTE e com a avaliação oficial do MEC. Para começar os estudos, nada melhor do que revisar os pontos mais importantes das principais matérias do Ensino Médio. Você pode repassar todas as matérias ou focar apenas em algumas delas. Além de rever os conteúdos, é fundamental fazer muito exercício para praticar. arrow COMO O GE PODE TE AJUDAR Além do GE FÍSICA, que você já tem em mãos, produzimos um guia para cada matéria do Ensino Médio: GE MATEMÁTICA, Química, Biologia, História, Geografia, Português, Redação e Idiomas. Todos reúnem os temas que mais caem nas provas, trazem questões de vestibulares para fazer e têm uma linguagem fácil de entender, permitindo que você estude sozinho. Os guias ficam um ano nas bancas – com exceção do ATUALIDADES, que é semestral. Você pode comprá-los também nas lojas on-line das livrarias Cultura e Saraiva. CAPA: NELSON PROVAZI 1 Decida o que vai prestar 2 Revise as matérias-chave 3 Mantenha-se atualizado FALE COM A GENTE: Av. das Nações Unidas, 7221, 18º andar, CEP 05425-902, São Paulo/SP, ou email para: guiadoestudante.abril@atleitor.com.br CALENDÁRIO GE 2015 Veja quando são lançadas as nossas publicações MÊS PUBLICAÇÃO Janeiro Fevereiro GE HISTÓRIA Março GE ATUALIDADES 1 Abril GE GEOGRAFIA GE QUÍMICA Maio GE BIOLOGIA GE FUVEST Junho GE ENEM GE PORTUGUÊS Julho GE REDAÇÃO GE IDIOMAS Agosto GE ATUALIDADES 2 Setembro GE MATEMÁTICA GE FÍSICA Outubro GE PROFISSÕES Novembro Dezembro CARTA AO LEITOR 4 GE FÍSICA 2016 PERDIDA NO ESPAÇO A cientista Ryan Stone (Sandra Bullock) flutua na órbita da Terra, no filme Gravidade Você deve ter assistido ao filme Gravidade. Se não assistiu, vale a pena. Dirigido por Alfonso Cuarón, Gravidade mostra as dificuldades enfrentadas pela cientista Ryan Stone para retornar à Terra depois da destruição do ôni-bus espacial Explorer e da Estação Espacial Internacional por partes soltas de satélites. Do movimento das naves na órbita da Terra à velocidade dos detritos, da dificul- dade de Stone em se deslocar pelo espaço vazio à combustão do módulo de resgate Soyuz durante a reentrada na atmosfera, tudo tem a ver com conceitos de física: aceleração, força, ação e reação e energia. A física está por trás, também, de fatos reais: da eletrici- dade, do aquecimento global ou do salto de um atleta com vara. São associações como essas, entre conceitos científicos e acontecimentos do dia a dia, que os examinadores pedem no Enem e nos principais vestibulares do país. Esta é a tônica do GUIA DO ESTUDANTE VESTIBULAR + ENEM FÍSICA – apresentar os conteúdos de mecânica, termologia, óptica, eletricidade e magnetismo que mais caem nas provas, associando-os a fatos da atualidade. A matéria foi organizada pelos professores Júlio Ribeiro, do Colégio Móbile, e Gil Marcos, do Colégio Vértice, em São Paulo. O texto (com explicações passo a passo), as ilustrações e os infográficos (que facilitam a visualização de conceitos e raciocínios) foram ela- borados pela equipe da redação do GUIA DO ESTUDANTE. Este guia é a primeira força para você vencer a inércia e não despencar em queda livre nas provas. Se você empenhar energia nos estudos, a reação é inevitável: a conquista de uma vaga na universidade. arrow A redação A gravidade e o vestibular 8 EM CADA 10 APROVADOS NA USP USARAM SEL O D E Q UA L IDA D E G U I A D O E S T U D A N T E O selo de qualidade acima é resultado de uma pes- quisa realizada com 351 estudantes aprovados em três dos principais cursos da Universidade de São Paulo no vestibular 2015. São eles: � DIREITO, DA FACULDADE DO LARGO SÃO FRANCISCO; � ENGENHARIA, DA ESCOLA POLITÉCNICA; e � MEDICINA, DA FACULDADE DE MEDICINA DA USP dot 8 em cada 10 entrevistados na pesquisa usaram algum conteúdo do GUIA DO ESTUDANTE durante sua preparação para o vestibular dot Entre os que utilizaram versões impressas do GUIA DO ESTUDANTE: 88% disseram que os guias ajudaram na preparação. 97% recomendaram os guias para outros estudantes. TESTADO E APROVADO! A pesquisa quantitativa por meio de entrevista pessoal foi realizada nos dias 11 e 12 de fevereiro de 2015, nos campi de matrícula dos cursos de Direito, Medicina e Engenharia da Universidade de São Paulo (USP). � Universo total de estudantes aprovados nesses cursos: 1.725 alunos. � Amostra utilizada na pesquisa: 351 entrevistados. � Margem de erro amostral: 4,7 pontos percentuais. D IV U LG A Ç Ã O SUMÁRIO 6 GE FÍSICA 2016 Sumário arrow Física VESTIBULAR + ENEM 2016 FÓRMULAS 8 As principais expressões matemáticas que você encontra nesta edição TERMOLOGIA 12 Primeira promessa contra o aquecimento Estados Unidos e China assinaram um acordo para reduzir a emissão de carbono 14 Infográfico Como a atmosfera absorve e retém o calor do Sol 16 "VMB���t�5FNQFSBUVSB 20 "VMB���t�%JMBUBÎÍP 24 "VMB���t�$BMPSJNFUSJB 28 "VMB���t�5SBOTGPSNBÎÜFT�HBTPTBT 32 $PNP�DBJ�OB�QSPWB���3FTVNP Questões comentadas e síntese do capítulo CINEMÁTICA 34 1PUFOUF�DÉNFSB�GPUPHSÈGJDB�EP�$PTNP Os feitos do Telescópio Espacial Hubble em 25 anos de operação 36 "VMB���t�$PODFJUPT 40 "VMB���t�.PWJNFOUP�SFUJMÓOFP�VOJGPSNF 43 "VMB���t�.PWJNFOUP�SFUJMÓOFP�VOJGPSNFNFOUF�WBSJBEP 46 "VMB���t�-BOÎBNFOUPT 50 Infográfico Os movimentos de um atleta num salto com vara 52 $PNP�DBJ�OB�QSPWB���3FTVNP Questões comentadas e síntese do capítulo DINÂMICA 54 Estradas da morte O Brasil ocupa a 4a colocação na lista de países campeões em mortes por acidente de trânsito 56 "VMB���t�1SJNFJSB�F�UFSDFJSB�MFJT�EF�/FXUPO 58 "VMB���t�4FHVOEB�MFJ�EF�/FXUPO 64 "VMB���t�&OFSHJB�F�USBCBMIP 68 "VMB���t�&OFSHJB�NFDÉOJDB� 72 Infográfico Os tipos de energia envolvidos num eventual choque de um asteroide com a Terra 74 "VMB���t�%JOÉNJDB�JNQVMTJWB 78 $PNP�DBJ�OB�QSPWB���3FTVNP Questões comentadas e síntese do capítulo ÓPTICA GEOMÉTRICA 80 �5FSSBT�BPT�NPOUFT�QPS�BÓ A ciência já descobriu uma dúzia de planetas extrassolares com ambiente favorável à vida 82 Infográfico Como as leis da óptica permitem medir distâncias cósmicas 84 "VMB���t�&TQFMIPT�QMBOPT 88 "VMB���t�&TQFMIPT�FTGÏSJDPT 93 "VMB���t�3FGSBÎÍP 96 $PNP�DBJ�OB�QSPWB���3FTVNP Questões comentadas e síntese do capítulo ELETRICIDADE 98 Acender uma lâmpada está mais caro O uso de termelétricas encarece a conta de luz 100 Infográfico Como a eletricidade é gerada na atmosfera e nas usinas 102 "VMB���t�&MFUSPTUÈUJDB 106 "VMB���t�&MFUSPEJOÉNJDB 108 "VMB���t�-FJT�EF�0IN�F�QPUÐODJB 112 "VMB���t�(FSBEPSFT�F�SFDFQUPSFT 116 $PNP�DBJ�OB�QSPWB���3FTVNP Questões comentadas e síntese do capítulo MAGNETISMO 118 6N�DBNQP�NBHOÏUJDP�NVJUP�DPNQMFYP O escudo invisível que envolve o planeta tem uma estrutura tubular 120 Infográfico As aplicações tecnológicas da eletricidade e do magnetismo 122 "VMB���t�$PODFJUPT 126 "VMB���t�$BNQP�NBHOÏUJDP�F�DPSSFOUF�FMÏUSJDB 130 "VMB���t�'PSÎB�NBHOÏUJDB 134 $PNP�DBJ�OB�QSPWB���3FTVNP Questões comentadas e síntese do capítulo SIMULADO 136 26 questões e suas resoluções, passo a passo 8 GE FÍSICA 2016 TERMOLOGIA Conversão de escalas T T T 5 9 32 5 273C F K = - = - Dilatação linear L L0 $ $ iaD D= Dilatação superficial 0 $ $b iD DA A= Dilatação volumétrica de sólidos V V0 $ $c iD D= Dilatação de líquidos V Vliq liq0 $ $c iD D= Dilatação aparente e real V V VRe RAparenteal ecipienteD D D= + Quantidade de calor sensível Q m c$ $ iD= Quantidade de calor latente Q m L$= Capacidade térmica C = Q/Ti = m . c Equação de Clapeyron p V n R T$ $ $= Lei geral dos gases ideais T p T p i i i f f fV V$ $ = Transformação isovolumétrica T p T p i i f f = Transformação isobárica T Ti i f fV V= Transformação isotérmica pi .Vi = p f .Vf CINEMÁTICA Deslocamento escalar S S S0T -= Velocidade escalar média t V Sm T T= Aceleração escalar média a t v T T= Função horária da posição no MRU ( ) .S t S v t0= + Função horária da posição no MRUV ( ) . . 2 S t S v t a t 2 O O= + + Função horária da velocidade no MRUV ( ) .v t v a tO= + Equação de Torricelli . .v v a S22 0 2 T= + DINÂMICA Força resultante .F m aR = Força peso P = m . g Atrito dinâmico fatc = μc . N FÓRMULAS & EQUAÇÕES AS PRINCIPAIS EXPRESSÕES MATEMÁTICAS QUE APARECEM NESTA EDIÇÃO 9GE FÍSICA 2016 Atrito estático fate = μe . N Componentes horizontal e vertical de uma força P P senx $ i= cosP Py $ i= Movimento circular uniforme a R v2 cp = .F m R v CP 2 = Trabalho de uma força constante .F dx = Trabalho de força em ângulo Potência P tT x= Energia cinética E 2 m . v C 2 = Energia potencial gravitacional Epg = m . g . h Energia potencial elástica 2 .E k x 2 pel = Trabalho de forças dissipativas EM(i) – EM(f ) = xFdiss. Impulso e quantidade de movimento I res = Qfinal – Qinicial � I res = ∆Q ÓPTICA GEOMÉTRICA Equação de Gauss f 1 p 1 p' 1= + Aumento de uma imagem A o i p p' = = - Índice de refração n v c= Lei de Snell n1 . sen î = n2 . sen r ELETRICIDADE Força elétrica Felétrica = k0 . d2 |Q | . | q | Intensidade da corrente elétrica i t Q D D = Primeira lei de Ohm U R i$= Segunda lei de Ohm R A L$t= Associação em série ...R R R R R1 2 3eq n= + + + + Associação em paralelo ... R R R R R 1 1 1 1 1 1 2 3eq n = + + + + Potência elétrica Pelétrica = Dt Eelétrica = U. i = R U2 = R .i2 Tensão nos terminais de um gerador U r i$f= - Tensão nos terminais de um receptor ' ' 'U r i$f= + Intensidade da corrente num circuito gerador-receptor 'i Req f fR R= - MAGNETISMO Intensidade do campo magnético t�$POEVUPS�SFUJMÓOFP B R i 2 0 $ $ $ r n = t�$POEVUPS�FN�FTQJSB�DJSDVMBS B R i 2 0 $ $n = t�#PCJOB�DIBUB B N R i 2 0 $ $ $n = t�4PMFOPJEF B L N i0$ $n = Força sobre uma partícula F q v B senm $ $ $ i= Força sobre um condutor retilíneo F B i l senm $ $ $ i= . .F d cosix = 12 GE FÍSICA 2016 N o final de 2014, Estados Unidos e China assinaram um acordo histórico, pelo qual se comprometem a reduzir a emis- são de gases do efeito estufa, responsável pelo incremento do aquecimento global. Os EUA devem diminuir as emissões de dióxido de car- bono (CO2) entre 26% e 28% até 2025. A China, em troca, deve cortar as emissões a partir de 2030 e, até lá, gerar por fontes limpas 20% da energia no país. O tratado foi assinado depois de um impasse que levou décadas. No fundo, o impasse tem razões econômicas. Explica-se: de modo geral, para diminuir emis- sões, as indústrias têm de investir em tecnologias novas e alterar processos produtivos – o que sempre encarece a fabricação. Custo mais alto na fábrica significa preço mais alto no mercado – o que reduz a competitividade dos produtos no comércio internacional. Pesa, também, o nível de desenvolvimento de cada nação. Os EUA, país desenvolvido, têm uma altíssima emissão per capita. Na China, economia emergente, a taxa per capita é menor, mas, em compensação, os mais de 1 bilhão de chineses são os que emitem mais carbono, em valores absolutos. O dado mais importante, no entanto, é que, juntas, as duas maiores economias do mundo respondem por 45% das emissões globais. No Brasil, a questão industrial é menos im- portante que o desmatamento – a maior fonte de carbono no país. Derrubadas e queimadas liberam na atmosfera o carbono armazenado na madeira. O Plano Nacional sobre Mudança Climática (PNMC), de 2009, propõe reduzir as emissões até 2020 a cerca de 40% do previsto para aquele ano. Estudo recente mostra uma queda de 15% nas emissões, entre 1990 e 2013. A emissão de carbono pelo desmatamento caiu 56%. Mas, ainda que seja menos importante no balanço geral, o setor industrial registrou um aumento de 90%, no mesmo período. O aquecimento global, você sabe, provoca de- sequilíbrios climáticos, com secas severas em algumas regiões do planeta (como recentemente no estado da Califórnia) e excesso de chuvas em outras (como na Índia e na Birmânia). Cientistas atribuem esses extre- mos ao aumento na concentração de gases do efeito estufa, que retêm o calor do Sol. Calor, variação de tem- peratura e seus efeitos sobre os corpos são te- mas de termologia, que você vê neste capítulo. As duas maiores economias do mundo, Estados Unidos e China, depois de décadas de impasse, assinaram acordo sobre a redução na emissão de carbono Primeira promessa contra o aquecimento CONTEÚDO DESTE CAPÍTULO arrow Infográfico ..........................................................................................................14 arrow aula 1 > Temperatura ..................................................................................... 16 arrow aula 2 > Dilatação .............................................................................................20 arrow aula 3 > Calorimetria ......................................................................................24 arrow aula 4 > Transformações gasosas ...............................................................28 arrow Questões e Resumo ..........................................................................................32 1 TERMOLOGIA DILÚVIO JUNINO Livreiros indianos assistem, impotentes, à subida das águas. As chuvas torrenciais que atingiram a Índia e a Birmânia em 2015, são atribuídas ao aquecimento global 13GE FÍSICA 2016 RUPAK DE CHOWDHURI / REUTERS 14 GE FÍSICA 2016 3 2 4 –272 ˚C –173 ˚C 9.727 ˚C Temperatura 10.000.000 ˚C 1 O que a Terra faz com a energia solar Alguns gases da atmosfera absorvem parte da energia recebida do Sol e a aprisionam próximo à superfície do planeta. Entenda como o calor se propaga e é retido no efeito estufa O Sol emite energia em praticamente todo o espectro eletromagnético. Mas, como a temperatura de sua superfície fica em torno dos 5 mil graus Celsius, a maior parte da radiação solar está na faixa da luz visível. NA FREQUÊNCIA DAS ONDAS A luz visível é apenas um dos diversos tipos de radiação eletromagnética. Todo corpo emite radiação eletromagnética, e a temperatura do corpo é que define o tipo de radiação que ele emitirá, ou seja, a frequência das ondas eletromagnéticas. Agitando as moléculas Nos sólidos, o calor se propaga por condução: aos poucos, as partículas transmitem o calor umas às outras, aumentando sua agitação. A energia que entra Mas 70% da energia atravessa o vidro e se propaga pela atmosfera. Dentro da estufa ocorre o fenômeno da convecção: os gases aquecidos sobem, enquanto os mais frios descem. É assim que nascem os ventos. Rádio Micro- ondas Infra- vermelho Luz visível Ultra- violeta Raios X Raios Gama Tipos de radiação Calor refletido Cerca de 30% da energia solar é refletida de volta ao espaço pela atmosfera, que funciona como o vidro de uma estufa de plantas. radiação Ar frio Ar quente Mais quenteMais frio Radiação solar A energia térmica emitida pelo Sol atravessa o espaço, que não contém matéria, na forma de ondas – ou seja, por radiação. TERMOLOGIA INFOGRÁFICO 15GE FÍSICA 2016 5 Em dias normais O ar perto da superfície é mais quente e, por isso, menos denso. Assim, ele sobe, carregando os poluentes. Lá no alto, os poluentes se dispersam. O ar se resfria e torna a descer. Em dias frios e secos Quando a temperatura cai repentinamente, a superfície se resfria muito rápido e o ar quente sobre ela também. Esse ar resfriado não consegue subir, por ser mais denso. Fica perto da superfície e retém a poluição consigo. ILHAS DE CALOR As grandes cidades costumam ser mais quentes que as zonas rurais ao seu redor. Isso ocorre por causa da imensa quantidade de edifícios e ruas pavimentadas. O concreto e o asfalto têm enorme capacidade de absorver e reter o calor, maior do que a vegetação. Assim, as áreas urbanas refletem menos a radiação solar do que as zonas rurais. ASPIRADOR DE POLUENTES O movimento de convecção da atmosfera funciona como um aspirador, que suga os poluentes próximos da superfície para as camadas mais altas. Mas, quando ocorre a inversão térmica, tudo fica preso aqui embaixo. OS GASES QUE ABSORVEM CALOR De todos os gases que compõem a atmosfera, pouquíssimos absorvem o calor do Sol. O dióxido de carbono (CO2) é o principal deles. Ar mais frio Ar frio Ar quente Ar frio Ar frio Ar quente 78% Nitrogênio 21% Oxigênio 1% Outros gases A CADA 10 mil moléculas de gases que compõem o ar, apenas 4 são de CO2 Centro urbano Zona ruralZona rural Te m pe ra tu ra 30˚C 29˚C 28˚C 27˚C 26˚C 25˚C INVERSÃO TÉRMICA Calor aprisionado A energia refletida pelos objetos para o ambiente não consegue atravessar toda a atmosfera. E permanece presa na estufa, absorvida pelo vapor-d’água e por alguns gases do ar. É o efeito estufa. IN FO GR AF IA : M U LT I/ SP 16 GE FÍSICA 2016 Temperatura e sua medida SALAMÊ MINGUÊ, UM SORVETE COLORÊ Tudo o que é frio é frio porque suas moléculas perderam energia térmica A superfície da Terra tem uma tempera- tura média de cerca de 15 ºC, ideal para a vida. Essa temperatura é garantida pelo efeito estufa: a camada de ar que envolve o planeta funciona como um cobertor, que o abafa e impede que parte da energia rece- bida do Sol por irradiação seja refletida de volta para o espaço (veja o infográfico na pág. 14). Mas 15 ºC é a temperatura média da superfí- cie terrestre. Localmente, a temperatura pode estar acima ou abaixo disso. Em desertos, co- mo o do Saara, as temperaturas durante o dia podem superar os 50 ºC. E, em regiões polares, atingir -80 ºC. Isso depende da forma como a energia solar interage com condições físicas da região, como altitude, umidade e ventos. TERMOLOGIA AULA 1 • TEMPERATURA 17GE FÍSICA 2016 TEMPERATURA Temperatura é a medida do grau de agitação das moléculas de um corpo. Quanto mais inten- so for o movimento das moléculas, maior será a temperatura do corpo, e vice-versa. A tempera- tura é medida por termômetros, sempre de ma- neira indireta – ou seja, todo termômetro tem seu princípio de funcionamento baseado na variação de alguma grandeza física que podemos associar à temperatura do objeto em questão. Essas gran- dezas são chamadas grandezas termométricas. O termômetro mais comumente utilizado é o de mercúrio. Quando colocamos o instrumento em contato com um objeto mais quente, o obje- to transfere energia térmica ao termômetro: a coluna de mercúrio se expande e sobe. O inver- so acontece quando o corpo tem temperatura menor que a do mercúrio. Uma escala dese- nhada no vidro que recobre a coluna de mer- cúrio associa a altura da coluna à temperatura do corpo ao qual o termômetro está encostado (veja mais sobre dilatação dos corpos na aula 2 deste capítulo). Existem diversas escalas termométricas – ou seja, utilizadas para medir a temperatura de um corpo. As mais conhecidas são as esca- las Celsius, a Fahrenheit e a Kelvin (ou escala absoluta). As escalas Celsius e Fahrenheit são criadas com base em dois pontos fixos – ou seja, sistemas cujas temperaturas são conheci- das e bem definidas. Normalmente, os pontos fixos são o ponto de fusão e o ponto de ebulição da água. Cada escala termométrica utiliza um valor específico para representar os mesmos pontos fixos. Mas é possível estabelecer a rela- ção matemática entre duas delas. Relação entre as escalas A temperatura de um corpo pode ser expres- sa por diferentes valores quando é medida em diferentes escalas. Um bloco de gelo que se en- contra a uma temperatura de 0 °C (na escala Celsius, portanto) também está a 32 °F (na es- cala Fahrenheit) e a 273 K (na escala Kelvin). Analogamente, um corpo qualquer que apre- sente uma temperatura de 212 °F apresenta uma temperatura de 100 °C ou 373 K. [1 ]M ER IH U N AL O ZM EN /I ST O CK [2 ] I ST O SC K É a escala mais usada no Brasil. Tem como pontos fixos a temperatura da fusão do gelo (0 ºC) e a de ebulição da água (100 ºC) Pontos fixos: Ebulição da água Fusão do gelo Escala usada principalmente em países de língua inglesa. Por ela, a água passa do estado sólido ao líquido aos 32 ºF. E do líquido ao gasoso aos 212 ºF Também conhecida como escala absoluta, está associada ao grau de agitação molecular. No zero absoluto (0 K = –273 ºC), as moléculas estariam imóveis. Mas essa é uma temperatura inatingível, pois as partículas sempre apresentam alguma agitação Celsius (ºC) 100 ºC 0 ºC 212 ºF 32 ºF 373 K 273 K Fahrenheit (ºF) Kelvin (K) Quanto mais aquecido for um corpo, mais agitadas ficam as moléculas Num corpo frio, as moléculas se movem numa velocidade menor A temperatura define o ritmo de agitação das partículas de um corpo A altura da coluna de mercúrio varia conforme a temperatura de um corpo TÁ QUENTE, TÁ FRIO MEDIDA INDIRETA Uma mesma temperatura tem diferentes valores, dependendo da escala RÉGUAS DE TEMPERATURA O mercúrio reage à variação de temperatura e se expande ou se contrai rapidamente A escala de temperatura indica a variação da temperatura [1] [2] 18 GE FÍSICA 2016 Dois ou mais corpos atingem o equilíbrio térmico quando suas temperaturas se tornam iguais, ou seja, não há mais transferência de energia térmica entre eles. Calor é a quantidade de r energia transferida entre corpos que apresentam temperaturas distintas. O calor pode ser medido em joules (J) ou em calorias (cal) (veja mais na aula 3 deste capítulo). Todas as escalas mantêm uma rela- ção matemática entre suas medidas, que obedece à seguinte proporção: T T T 5 9 32 5 273C F K = - = - , em que: arrow TC é a temperatura de um dado cor- po, medido na escala Celsius; arrow TF é a mesma temperatura do corpo, agora medida na escala Fahrenheit; arrow TK representa a mesma temperatura, medida na escala Kelvin. Para converter a temperatura de um corpo de uma escala em outra, basta resolver a equação correspondente às duas escalas. CALOR Sempre que dois corpos de tempera- turas distintas são colocados em conta- to, ocorre espontaneamente uma trans- ferência de energia térmica do corpo mais quente para o corpo mais frio. Essa energia térmica transferida entre corpos que apresentam temperaturas iniciais distintas é o que se chama, em física, de calor. Essa transferência de calor se dá até que ambos os corpos apresentem a mes- ma temperatura final, ou seja, o mesmo grau de agitação de suas moléculas. Isso acontece quando os corpos atingem o equilíbrio térmico. É o que ocorre com os termômetros: a coluna de mercúrio sobe enquanto a temperatura dessa subs- tância é diferente da do corpo com que está em contato. E estaciona quando as temperaturas se igualam. A função dos cobertores não é aquecer, mas isolar o corpo do ambiente externo. A lã natural ou artificial dificulta a perda de energia do corpo para o ambiente. A energia toda retida debaixo das cobertas provoca a sensação de aquecimento. NA PRÁTICA ISOPOR DE ESQUIMÓ Assim como o material usado nas geladeiras portáteis, o gelo também pode funcionar como isolante térmico. Apesar de serem frias, as paredes de gelo de um iglu impedem a troca de calor entre os corpos do interior e o ambiente externo Para converter a temperatura ambiente de 25 °C para as escalas Fahrenheit e Kelvin, basta aplicar as equações de conversão entre as escalas: De Celsius para Fahrenheit: 5 9 32 5 25 9 32 77 ºFT T T T – –C F F F& &= = = De Celsius para Kelvin: 273 25 273 298KT T T T– –C K K K& &= = = [1] [2] NA PRÁTICA PIADA PRONTA TERMOLOGIA AULA 1 • TEMPERATURA 19GE FÍSICA 2016 Em algumas panelas, o cabo é revestido de baquelite, um material isolante, que impede a propagação do calor por condução Na radiação, a energia térmica do fogo se propaga por ondas eletromagnéticas A porção de água mais próxima da fonte de calor fica mais quente e, portanto, menos densa. Assim, essa parte sobe, enquanto a porção mais fria desce. Essa é a convecção Na condução, a energia da chama agita as moléculas do cabo da panela mais próximas do fogo. Aos poucos, essa agitação é transmitida às moléculas mais distantes RADIAÇÃO CONDUÇÃO CONVECÇÃO TRANSMISSÃO DE CALOR Densidade é a relação entre a massa e o volume de um corpo, ou seja, a medida de matéria que existe em determinado volume. Quanto mais matéria houver em um volume, mais denso o corpo será. Processos de propagação do calor A transferência de energia térmica ocorre na- turalmente de um corpo de maior temperatura para um corpo de menor temperatura. Essa pro- pagação pode se dar por diferentes processos: Condução térmica É o processo de propagação que se dá pela transmissão da agitação molecular de uma partícula para a seguinte; portanto, para que haja propagação do calor por condução, é preciso a intermediação de um meio físico entre os corpos que inicialmente se encontram a tem- peraturas distintas. A eficiência dessa transferên- cia depende da natureza do material que cons- titui esse meio físico, ou seja, se esse material é bom ou mau condutor de calor. O alumínio é um bom condutor de calor: esse metal se aquece e se resfria rapidamente. Por isso, ele é ideal para as latas de refrigerante. Colocada na geladeira, a lata deixa o calor fluir facilmente do líquido em seu interior para o ar do refrigerador. Isso faz com que a tempera- tura do refrigerante diminua rapidamente. Ao contrário, os maus condutores térmicos são os materiais que dificultam a troca de calor entre dois corpos. São os chamados isolantes térmi- cos, empregados quando é necessário reduzir ao máximo a transferência de calor entre dois corpos. O baquelite é um mau condutor de ca- lor. Por isso, essa resina sintética costuma ser usada em cabos de panela. Convecção térmica É o processo de propaga- ção de calor por meio do transporte de matéria de um sistema. Ocorre sempre que há uma dife- rença de temperatura num líquido ou gás, o que altera a densidade de material. É o que ocorre, por exemplo, quando se aquece água numa pa- nela. A chama do fogão esquenta a água que está no fundo da panela mais rapidamente do que a porção superior. Essa diferença de temperatu- ras, ainda que pequena, faz com que a porção inferior de água se torne menos densa que a porção superior. Como o material menos denso tende a subir e o mais denso a descer, cria-se um ciclo chamado corrente de convecção. Radiação térmica ou irradiação É o processo de transferência de energia térmica por ondas eletromagnéticas. É o único processo que não depende da existência de um meio físico entre os corpos. Para chegar à Terra, a energia prove- niente do Sol viaja em ondas pelo vácuo do es- paço sideral, porque se propaga por irradiação. A sensação de calor que sentimos quando nos expomos à luz solar se deve essencialmente à radiação infravermelha. Quando se propagam, as ondas transportam apenas energia, não matéria. As ondas do mar transportam energia sem “empurrar” a água. As ondas eletromagnéticas fazem o mesmo no espaço. Todo corpo emite calor por ondas eletromagnéticas. O alto da parede é o lugar ideal para instalar aparelhos de ar-condicionado. É perto do teto que se concentra a porção mais quente de ar de uma sala. Resfriado, o ar fica mais denso e desce, dando espaço a outra porção de ar quente, que será resfriada também. Aos poucos, todo o ar da sala é resfriado. NA PRÁTICA Quem cozinha num fogão a lenha observa todas as formas de transferência de calor É comum alguém reclamar da temperatura alta de um dia de verão com um “Puxa, que calor!” Cientificamente, a expressão está incorreta. A grandeza física associada à sensação de quente e frio é a temperatura. Calor é a energia térmica transferida entre corpos de diferentes temperaturas. ATENÇÃO! [1] RITA JANUSKEVICIUTE/ISTOCK [2] FERNANDO GONSALES 20 GE FÍSICA 2016 C onstruir uma ponte, uma torre ou um viaduto que resista ao vaivém de veí- culos não depende apenas do empre- go de material de boa qualidade. Os engenheiros precisam calcular, também, o efei- to que as forças naturais exercem sobre a obra. Entre esses efeitos, um dos mais importantes é a dilatação térmica. Com raras exceções, todo material aquecido se expande. E essa expansão resulta no aumento do comprimento e da lar- gura de uma ponte, ou na altura de um edifício. Se o material usado não tiver espaço para se dilatar, a estrutura poderá ficar comprometida. Os engenheiros costumam, então, intercalar o material básico da construção com as juntas de dilatação – frestas vazias ou preenchidas por outro material, que se dilata menos com o au- mento da temperatura. Quando a temperatura de um material se ele- va, o grau de agitação de suas moléculas cresce e elas se afastam. Se as partículas que constituem um corpo estão mais afastadas, então esse corpo ocupa um espaço maior. Isso é o que chamamos dilatação térmica. No sentido inverso, quando um corpo é resfriado, a agitação de suas partí- culas diminui. Essa redução na agitação das moléculas faz com que o corpo diminua suas dimensões. É a contração térmica. Qualquer corpo sólido que tenha a tempe- ratura alterada apresenta variações em todas as suas dimensões. Mas podemos simplificar o fenômeno estudando apenas as dilatações ou contrações mais significativas – seu compri- mento, sua área ou seu volume. Em qualquer um desses casos, a variação das dimensões do objeto depende de três parâmetros: arrow o tamanho inicial do corpo (comprimento, área ou volume inicial); arrow a alteração da temperatura a que o corpo foi submetido (Di); arrow o tipo de material que constitui o corpo. O tamanho varia em função do calor TERMOLOGIA AULA 2 • DILATAÇÃO 21GE FÍSICA 2016 DILATAÇÃO LINEAR É a variação no tamanho de um corpo sólido cuja única dimensão significativa é o compri- mento. Essa é a variação mais importante, por exemplo, nos trilhos de trem ou cabos de alta- tensão. O parâmetro que define a capacidade que determinado material tem de se dilatar ou se contrair ao longo de seu comprimento é o cha- mado coeficiente de dilatação linear (a). Podemos, então, escrever a relação matemática que define a variação do comprimento de um corpo em função da variação de temperatura: L L0 $ $ iaD D= , em que arrow )L é a variação do comprimento do corpo; arrow L0 é o comprimento inicial do corpo; arrow a é o coeficiente de dilatação linear do material; arrow Di é a variação de temperatura do corpo. A unidade de medida mais usual do coefi- ciente de dilatação linear é °C-1 . Nos sólidos, o coeficiente de dilatação é mui- to baixo. Isso demonstra que os efeitos de dila- tação e contração são relativamente pequenos quando sua temperatura varia poucos graus Celsius. Por exemplo: a cada grau que se aquece uma barra de chumbo de 1 metro, ela aumenta seu comprimento em apenas 0,000029 m – ou seja, 0,029 mm. Veja o índice de dilatação li- near de alguns materiais na tabela abaixo: DILATAÇÃO LINEAR Material a (°C–1) Chumbo 2,9 . 10–5 Ouro 1,4 . 10–5 Vidro comum 0,9 . 10–5 [1 ] X IP PS U M M AG [ 2] X RA ST AP Ó PO LU S VÃO DE ESCAPE As juntas de dilatação permitem que o piso se acomode quando é aquecido e não se quebre LICENÇA PARA ESTICAR Um vão de poucos centímetros a cada 20 metros impede que o trilho se expanda e se deforme com o calor A intensidade de vibração das moléculas e a distância entre elas dependem da temperatura BAIXA TEMPERATURA Quando a temperatura do corpo é reduzida, as partículas movem-se mais lentamente e permanecem mais próximas. É a contração térmica. ALTA TEMPERATURA Quando a temperatura do corpo se eleva, as moléculas vibram mais rapidamente e se afastam. É a dilatação térmica. CRESCE E ENCOLHE Construída com ferro, a Torre Eiffel, em Paris, pode variar sua altura em até 18 centímetros nos dias mais quentes de verão. Ela também se expande na direção horizontal no decorrer do dia, por causa do sol que bate numa ou noutra face AGITOU, CRESCEU [1] ALEKSANDAR NAKIC/ISTOCK [2] XRASTAPÓPOLUS [3] ISTOCK [1] [2] [3] 22 GE FÍSICA 2016 a b c d f i DILATAÇÃO SUPERFICIAL Quando submetemos um corpo sólido de es- pessura desprezível a uma variação de tempe- ratura, ocorre uma dilatação ou contração su- perficial – o corpo sofre variação significativa em sua área. É o que ocorre, por exemplo, com chapas de metal, de cimento ou de vidro. O coeficiente de dilatação superficial é repre- sentado por b , e sua unidade mais usual é, tam- bém, o °C-1. A relação matemática que define a variação superficial de um corpo qualquer é: 0 $ $b iD DA A= , em que: arrow )A é a variação da área sofrida pelo corpo; arrow A0 é a área inicial do corpo; arrow b é o coeficiente de dilatação superficial do material que constitui o corpo; arrow Di é a variação da temperatura do corpo. A relação entre coeficiente de dilatação su- perficial (b) de um material e seu coeficiente de dilatação linear (a) é dada por: 2 $b a= Assim, o chumbo, cujo coeficiente de dilata- ção linear é 2,9 . 10-5 °C-1, tem um coeficiente de dilatação superficial igual a: , , C 2 2 2 9 10 5 8 10 5 5 1 &$ $ $ $ b a b b = = = O - - - DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA DOS SÓLIDOS Quando um corpo sólido que tem todas as dimensões significativas é submetido a uma va- riação de temperatura, ocorre uma dilatação ou contração volumétrica – seu volume varia. Nos sólidos, essa dilatação é importante, por exem- plo, em peças de encaixe, como parafusos e ros- cas, e de equipamentos ou aparelhos que serão submetidos a grande variação de temperatura. Neste caso, em que consideramos a dilatação em três dimensões, trabalhamos com o coefi- ciente de dilatação volumétrico, representa- do por c . A relação matemática que define a variação do volume de um corpo em função da variação de temperatura é: V V0 $ $c iD D= , em que: arrow )V é a variação de volume sofrida pelo corpo; arrow V0 é o volume inicial do corpo; A física emprega uma série de letras gregas em suas expressões matemáticas. O símboloD (delta) significa, normalmente, variação. Por exemplo, Dd refere-se ao deslocamento (a diferença entre a posição final e a inicial). Já a letra i (teta) é usualmente empregada para indicar temperatura. A temperatura também pode ser indicada pela letra T. O coeficiente de dilatação linear de um material que constitui uma barra de 100 cm de comprimento inicial e que expandiu 0,016 cm quando submetido a uma variação de temperatura de 10 °C é assim calculado: L L , , C 0 016 100 10 1 6 10 o 0 5 1 $ $ $ $ $ ia a a D D= = = - - Ou seja, esse material tem seu comprimento alterado em 0,000016 centímetro para cada centímetro de comprimento inicial da barra quando submetido a uma variação de temperatura de 1 °C, ou ainda em 0,000016 metro para cada metro de comprimento inicial da barra quando submetido a uma variação de temperatura de 1 °C NA PRÁTICA FACHADA MÓVEL As lâminas de vidro da fachada de um edifício são encaixadas com certa folga para que não se quebrem quando sofrem dilatação superficial, em dias mais quentes TERMOLOGIA AULA 2 • DILATAÇÃO Corpos ocos se dilatam como se não fossem ocos. Um aro de metal (que tem um orifício no centro) se dilata como se fosse um disco compacto. Essa relação vale tanto para dimensões lineares (raio e diâmetro do centro oco), quanto para a superfície (área do centro) ou, no caso de uma esfera oca, para volume. ATENÇÃO 23GE FÍSICA 2016 arrow c é o coeficiente de dilatação volumétrica do material que constitui o corpo; arrow Di é a variação da temperatura do corpo. A unidade mais usual para o coeficiente de dilatação volumétrica é, também, °C-1. O coeficiente de dilatação volumétrica pode ser relacionado com o coeficiente de dilatação linear de um mesmo material. A expressão ma- temática que expressa essa relação é: 3 $c a= Então, novamente no exemplo do chumbo, o coeficiente de dilatação volumétrica é forneci- do por: 3 3 2,9 10 8,7 10 C 5 5 1 & &$ $ $ $ c a c c = = = O - - - DILATAÇÃO DE LÍQUIDOS Assim como no caso dos sólidos, quando aquecemos ou resfriamos um líquido também alteramos o grau de agitação de suas molécu- las. Mas, nos líquidos, a força de coesão que mantém agrupadas essas partículas é bem me- nor que nos sólidos. Além disso, eles assumem o formato do recipiente que os contém. Assim, sempre que se fala em dilatação – ou contração – de um líquido, trata-se, no geral, de dilatação ou contração de seu volume. A variação de volume ()Vliq) de um líquido qualquer depende da variação de temperatura (Di) a que foi submetido, depende de seu volu- me inicial (V0) e também depende do líquido que estamos aquecendo ou resfriando. A rela- ção matemática que define a variação do vo- lume de um líquido em função da variação de temperatura é a mesma que define a variação de volume num sólido: V Vliq liq0 $ $c iD D= Justamente por envolverem uma força menor de coesão entre as moléculas, os líquidos apre- sentam maiores variações de volume do que os sólidos quando submetidos à mesma variação de temperatura. Esse fato pode ser comprovado quando ana- lisamos a tabela que compara os valores de co- eficientes de dilatação volumétricos de sólidos e líquidos (veja a tabela ao lado). Repare que os coeficientes de dilatação volumétricos dos líquidos são significativamente maiores que os dos sólidos. DILATAÇÃO APARENTE E REAL É preciso ter cuidado ao estudar a dilatação ou contração dos líquidos. Quando certa massa de líquido contida num recipiente é aquecida, seu volume varia. Mas não se pode esquecer que o aquecimento faz variar, também, o vo- lume do recipiente (vidro ou qualquer tipo de metal) que o contém. Assim, podemos falar em dois tipos de dilatação do líquido: dilatação aparente e dilatação real. A dilatação dos líquidos é significativamente maior que a dilatação dos sólidos. Então, quan- do um recipiente de vidro ou de metal, cheio de líquido, é aquecido, a tendência é que uma porção do líquido transborde. O volume de lí- quido que extravasa do recipiente se refere à dilatação aparente do líquido. Para calcular a dilatação real do líquido, temos de levar em consideração também a dilatação do recipien- te. Matematicamente: V V VRe RAparenteal ecipienteD D D= + As equações que definem a variação de volu- me continuam valendo: V VRe Real al0 $ $c iD D= V VAparente Aparente0 $ $c iD D= V VRe Recipientecipiente 0 $ $c iD D= Como todo o conjunto é submetido à mesma variação de temperatura, podemos relacionar os coeficientes de dilatação volumétrico da se- guinte maneira: Re RAparente ecipientealc c c= + Repare que o coeficiente de dilatação real do líquido depende apenas da natureza do líquido. Já o coeficiente de dilatação aparente do líqui- do varia de situação a situação, pois depende, também, do material de que é feito o recipiente no qual o líquido está contido. DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA Material Coeficiente de dilatação volumétrica (°C–1) Zinco (sólido) 7,8 . 10–5 Tungstênio (sólido) 1,3 . 10–5 Glicerina (líquido) 49 . 10–5 Benzeno (líquido) 106 . 10–5 Éter (líquido) 160 . 10–5 Dilatação aparente e dilatação real QUANTO VAZOU? O O V O 1. O líquido de um recipiente, se for aquecido, pode vazar porque seu volume se dilata com o aumento da temperatura 2. Mas o volume que transborda depende não só da dilatação do líquido, mas também da dilatação volumétrica do recipiente O V ISTOCK 24 GE FÍSICA 2016 As medidas do calor EM BUSCA DO EQUILÍBRIO Cubos de gelo num copo de refrigerante à temperatura ambiente derretem. Em compensação, a bebida gela A lto verão. Você chega em casa, morto de sede. Mas alguém deixou de colo- car as garrafas de refrigerante na ge- ladeira. Você, então, põe alguns cubos de gelo no copo. E, rapidamente, a bebida está fresca e o gelo, derretido. Esse gesto é tão natu- ral que você provavelmente jamais parou para pensar: por que o gelo baixa a temperatura da bebida? Que tipo de fenômeno é esse? Quando dois corpos em temperaturas dis- tintas são colocados em contato, ocorre uma transferência de calor do corpo de maior tem- peratura inicial para o de menor temperatura. Essa transferência de calor só se interrompe quando os corpos atingem o equilíbrio térmi- co, ou seja, quando as temperaturas finais dos dois corpos forem iguais. A forma como dois corpos chegam ao equi- líbrio térmico depende de diversas variáveis, como a temperatura inicial, a natureza e a massa de cada um dos corpos envolvidos. So- bre essas variáveis, os físicos construíram três conceitos importantes: calor específico, calor sensível e calor latente. [2] 1 TERMOLOGIA AULA 3 • CALORIMETRIA 25GE FÍSICA 2016 CALOR ESPECÍFICO Calor específico, representado por c, é a quantidade de energia necessária para que 1 grama de determinado material apresente uma variação de temperatura de 1 °C. A unida- de de medida mais usual para calor específico é cal/g oC. Mas no sistema internacional de unidades (S.I.) essa medida é dada em joule por quilograma e kelvin (J/kg K). O calor específico de um corpo é uma grandeza física própria do material que constitui esse corpo – e independe das di- mensões ou da massa do corpo. Assim, um bloco de 1 quilo de prata e outro bloco de 100 quilos de prata apresentam o mesmo calor es- pecífico. Veja na tabela abaixo o calor específi- co de alguns materiais. CALOR ESPECÍFICO Material c (cal/g °C) O que significa Água 1,0 É preciso 1 caloria para que 1 grama de água em estado líquido tenha a temperatura elevada em 1 °C. Também devemos retirar 1 caloria para que 1 grama de água em estado líquido tenha a temperatura diminuída em 1 °C Gelo 0,5 Para variar a temperatura de 1 grama de gelo em 1 °C, é preciso apenas 0,5 caloria Areia 0,2 Apenas 0,2 caloria é preciso para que 1 grama de areia tenha sua temperatura alterada em 1 °C Prata 0,056 Já a prata tem calor específico mais baixo ainda: necessita apenas de 0,056 caloria para que 1 grama tenha a temperatura alterada em 1 °C CALOR SENSÍVEL É a quantidade de energia envolvida no pro- cesso de alteração da temperatura de um cor- po, sem que o corpo mude de estado físico (veja o quadro Não confunda, ao lado). A quantidade de calor sensível recebida ou cedida por um corpo de massa m e que apre- senta uma variação de temperatura Di é dada pela equação fundamental da calorimetria: Q m c$ $ iD= , em que: arrow Q é o símbolo para quantidade de energia (neste caso, calor sensível); arrow m é a massa do corpo; arrow c é o calor específico; arrow Di é o símbolo de variação da temperatura. [1 ] M AG D AL EN A KU CO VA /I ST O CK [ 2] M AR IU S GR AF /I ST O CK O sistema internacional de unidades (S.I.) é um conjunto de unidades de medida de grandezas físicas adotado pela comunidade científica. Abaixo, algumas das unidades fixadas no S.I. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES Grandeza Unidade Símbolo Comprimento metro m Massa quilograma kg Tempo segundo s Intensidade da corrente elétrica ampère A Temperatura kelvin K Trabalho e energia joule J Força newton N Calor específico (c) é um conceito diferente de capacidade térmica ou capacidade calorífica (C). O calor específico indica a quantidade de energia para que determinado material fique 1 oC mais quente. Sua unidade é caloria por grama graus Celsius (cal/g oC) ou joule por quilograma kelvin (J/kg K). Quanto maior é o calor específico de um material, mais energia ele exige para mudar de temperatura. Já a capacidade térmica indica quanto um corpo perde ou absorve calor, em função da variação de temperatura. A capacidade térmica depende da massa do corpo. A unidade, no S.I., é joule/kelvin (J/K) ou cal/oC. Quanto maior for a capacidade térmica de um corpo, mais lentamente ele se aquece ou resfria. Corpos de massas diferentes e de mesma substância têm calor específico igual, mas diferentes capacidades térmicas. Corpos de massa e de substâncias diferentes podem apresentar a mesma capacidade térmica. O recheio de uma empada é mais quente que a massa que o recobre porque a capacidade térmica do recheio é menor que a da massa – ou seja, recebendo a mesma quantidade de calor, o recheio tem uma variação maior de temperatura. E, quanto mais recheio houver, mais você queimará a língua. As expressões matemáticas que definem a capacidade térmica de um corpo são t��C = Q /Ti , em que C é a capacidade térmica; Q é a quantidade de calor (energia) recebida ou perdida; Ti é a variação de temperatura sofrida pelo corpo. t��C = m . c , em que C é a capacidade térmica; m é a massa do corpo; c é o calor específico do material de que o corpo é constituído. NÃO CONFUNDA [1] 26 GE FÍSICA 2016 TERMOLOGIA AULA 3 • CALORIMETRIA Sempre que um corpo tem a temperatura au- mentada, dizemos que ele recebeu certa quan- tidade de energia, chamada de calor sensível, do meio externo. Analogamente, quando um corpo apresenta uma diminuição de tempera- tura, dizemos que ele perdeu certa quantidade de energia, ou calor sensível, para o meio ex- terno. Assim, Q pode assumir valores positivos ou negativos. Em linguagem matemática: 0 0Q& &T 2 2i o corpo recebe calor do meio externo 0 0Q& &T 1 1i o corpo perde calor para o meio externo CALOR LATENTE É a energia envolvida no processo de mudan- ça do estado físico (ou fase) de uma substância, e seu valor depende tanto da massa quanto da mudança de estado físico em questão. A quan- tidade de energia Q necessária para que um corpo de massa m sofra determinada mudança de fase é calculada pela expressão: Q m L$= , em que arrow Q é a quantidade de energia (ou seja, quan- tidade de calor latente); arrow m é a massa do corpo; arrow L é o calor latente da mudança de fase em questão, medido em cal/g. A quantidade de calor latente (Q) recebida ou perdida por um corpo não provoca mudança de temperatura. É responsável apenas pela altera- ção do estado de agregação de suas partículas, ou seja, pela mudança de seu estado físico. O comportamento de um corpo que é aque- cido no estado sólido, passa pelo estado líqui- do e atinge o estado gasoso pode ser descrito num gráfico que mostre o que ocorre com sua temperatura em função da quantidade de ca- lor trocada entre o corpo e o meio externo. É a chamada curva de aquecimento. Ao lado você vê dois gráficos. O primeiro mos- tra uma curva de aquecimento genérica. Nele, as temperaturas de fusão e ebulição se referem a uma substância qualquer. O segundo, logo abaixo, é a curva de aquecimento de um cubo de gelo. TROCAS DE CALOR Quando dois corpos são postos em contato dentro de um recipiente termicamente isolado, o corpo mais quente cede calor para o corpo mais frio, até que o equilíbrio térmico seja atingido. D E F CB A Q 1 횹 i 횹 fusão 횹 ebulição 횹 f 횹 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Temperatura Q Quantidade de calor Quantidade de calor sensível Quantidade de calor latente Líquido Sólido Gasoso 100 0 –80 Q (oC) Aquecimento da água Aquecimento do gelo Aquecimento do vapor D E C B Ebulição Fusão A ª DE GELO A VAPOR Note que a temperatura inicial do gelo, -80 oC no ponto A, vai se elevando lentamente, até atingir, no ponto B, 0 oC. Essa é a temperatura de fusão da água. Somente ao atingir essa temperatura, o gelo começa a derreter. A temperatura se mantém em 0 oC durante todo o processo de fusão, até o último pedacinho de gelo derreter (ponto C). Com toda a água no estado líquido, a temperatura volta a subir, até atingir os 100 oC (ponto D). Aí começa a evaporar. E, mais uma vez, o vapor só terá a temperatura aumentada quando não houver mais água líquida (a partir do ponto E). CURVA DE AQUECIMENTO DE UM CUBO DE GELO CURVA DE AQUECIMENTO Um recipiente que oferece isolamento térmico é aquele que impede que seu conteúdo troque calor com o meio externo. Uma geladeira de isopor e uma garrafa térmica são recipientes termicamente isolados. Mas, como o isolamento nunca é perfeito, depois de algum tempo o conteúdo acaba cedendo energia térmica ao ambiente, ou ganhando dele. EM DEGRAUS Durante as mudanças de estado físico, a temperatura do corpo permanece constante. No gráfico acima, isso ocorre nos trechos BC (fusão) e DE (vaporização). Veja um exemplo no gráfico abaixo. 27GE FÍSICA 2016 Para estudar a troca de calor entre di- ferentes materiais, os físicos utilizam o equipamento chamado calorímetro. Um calorímetro ideal é aquele que barra, completamente, a troca de calor entre o meio interno e o meio externo e que tem capacidade térmica desprezível. Na prá- tica, não existem calorímetros perfeitos. Considere um calorímetro ideal com certa massa de água, à temperatura am- biente. Se mergulharmos na água um blo- co de chumbo a uma temperatura eleva- da, haverá uma transferência espontânea de energia do corpo mais quente (chum- bo) para o corpo mais frio (água), até que o sistema água e chumbo atinja o equilí- brio térmico. Se o calorímetro é ideal, não existe per- da de energia para o meio externo. Então, toda a quantidade de calor perdida pelo chumbo é transferida para a água. Se du- rante a troca de calor entre os corpos o bloco de chumbo perdeu 100 calorias de energia, a água recebeu as mesmas 100 calorias de energia. Isso significa que, num sistema em um calorímetro ideal, a quantidade de energia cedida por um ou mais corpos que constituem o sistema é igual à quantidade de energia recebida pelos demais corpos. Em linguagem ma- temática: 0 0Q Q Q QCedido Recebido Chumbo água&+ = + = Utilizando o mesmo raciocínio para um sistema formado por n corpos trocando ca- lor dentro de um recipiente ideal, temos: QCedido + QRecebido = 0 ¡ Q1 + Q2 + Q3 + ... + Qn = 0 0ºC Um bloco de gelo, a 0 oC... 0ºC ...passa ao estado líquido... 0ºC ...sem alterar sua temperatura O calor latente L de uma mudança de fase pode ser positivo ou negativo, dependendo da mudança de fase ocorrida, se ela envolve ganho ou perda de calor. Para que um cubo de gelo de 1 grama sofra fusão, devemos fornecer 80 calorias. Então, podemos afirmar que o calor latente de fusão do gelo é de 80 cal/g. No sentido inverso, o calor latente de solidificação do gelo é de –80 cal/g. Já para vaporizar 1 grama de água, precisamos fornecer 540 cal. Isso significa que o calor latente de vaporização da água é de 540 cal/g. No sentido inverso, o calor latente de condensação do vapor de água é de –540 cal/g (precisamos retirar essa quantidade de calor de cada grama). Durante a mudança de estado físico, toda a energia térmica é usada na reorganização das moléculas. A temperatura não se altera. NA PRÁTICA DERRETE, MAS NÃO SE AQUECE FERNANDO GONSALES PIADA PRONTA 28 GE FÍSICA 2016 Gás ideal é um gás hipotético, cujas moléculas são tratadas como pontos sem volume. Num gás ideal, as transformações do estado dinâmico envolvem temperatura, volume e pressão – as chamadas variáveis de estado. A dinâmica dos gases CHEIOS NA MEDIDA CERTA Balões têm paredes elásticas. Mas qualquer mudança na pressão, no volume ou na temperatura altera as demais variáveis, e o balão pode estourar G ases são corpos muito especiais. São facilmente comprimidos ou expan- didos. Além disso, as moléculas de corpos gasosos estão mais distantes e sempre mais agitadas do que nos sólidos e líquidos. Por isso, eles respondem de maneira diferente às alterações de temperatura. Um gás é caracterizado por três grandezas físicas: temperatura, volume e pressão. São as chamadas variáveis de estado, que defi- nem o estado termodinâmico de um gás. Para facilitar o estudo dos gases, os físicos adotam um modelo científico que trata o gás como um gás ideal. 1 TERMOLOGIA AULA 4 • TRANSFORMAÇÕES GASOSAS 29GE FÍSICA 2016 EQUAÇÃO DE CLAPEYRON Num gás ideal, as três variáveis de estado (pressão, volume e temperatura) estão rela- cionadas com a quantidade de gás existente na amostra. A relação matemática se dá pela equa- ção de Clapeyron, também chamada equação de estado dos gases ideais: p V n R T$ $ $= , em que: arrow p é a pressão exercida pela amostra, medida em N/m2; arrow V é o volume ocupado pelo gás, medido em m3; arrow n é o número de mols da amostra (a quantidade de matéria); arrow R é a constante universal dos gases ideais (vale ~ 8,31 J/mol.K); arrow T é a temperatura do gás, medida em Kelvin (K). Repare que todas as medidas acima foram dadas conforme estabelecidas no S.I. Mas a constante universal dos gases pode ser dada em outra unidade: R ~ 0,082 atm . L /mol . K A equação de Clapeyron relaciona as variá- veis de estado de um gás que ocupa um único estado termodinâmico, ou seja, ela ainda não nos permite analisar o comportamento de uma amostra de gás que sofre alguma alteração em qualquer uma de suas variáveis de estado. En- tão, para determinado estado termodinâmico A, temos: A figura acima mostra n mols de um gás no estado termodinâmico A , sob pressão P A , ocupando um volume V A e com temperatura T A LEI GERAL DOS GASES IDEAIS Uma transformação gasosa é caracterizada pela alteração do estado termodinâmico de um gás, ou seja, toda transformação gasosa está atrelada a uma alteração nas variáveis de estado que defi- nem aquele gás. Podemos entender uma transfor- mação gasosa como um procedimento que “leva” uma amostra gasosa de um estado termodinâmi- co inicial para um estado termodinâmico final. Uma amostra do gás A, aprisionada em um recipiente completamente vedado, em determi- nado estado termodinâmico inicial i, sofre uma transformação qualquer passando para um es- tado termodinâmico f. Repare que o recipiente é vedado. Então, não há alteração na quantidade de gás – ou seja, o núme- ro n de mols do gás se mantém constante durante a transformação. Como todas as três variáveis de estado se relacionam e não houve alteração na quantidade de gás, podemos igualar a equação de Clapeyron para cada um dos estados acima: Para o estado inicial i: p T p n Ri i i i i i V n R T V & $$ $ $ $ == Para o estado final f: p V n R T T p V n Rf f f f f f &$ $ $ $ $= = Repare que as duas equações acima são iguais a n . R. Então, elas são iguais entre si: T p T p i i i f f fV V$ $ = Estado inicial (i) Transformação gasosa Estado final (f) P i , V i , T i P f , V f , T f IS TO CK Mol é a unidade do S.I. para a quantidade de matéria, medida em átomos, moléculas ou íons. Por definição, 1 mol contém 6,02 . 1023 partículas. Esse valor é a constante de Avogadro. Em 1 mol de qualquer gás existem 6,02 . 1023 moléculas. n mols P A , V A , T A 30 GE FÍSICA 2016 A equação indica que, numa amostra de gás ideal, em que não há variação de massa, essa relação entre temperatura, volume e pressão se mantém. Em uma transformação geral, qual- quer alteração em uma das variáveis (digamos, a temperatura) afeta imediatamente as outras duas (volume e pressão) e o gás sofre transfor- mação em seu estado termodinâmico. Quando alteramos apenas duas variáveis de estado e mantemos fixa a terceira, ocorrem as chama- das transformações particulares. TRANSFORMAÇÃO ISOVOLUMÉTRICA A transformação isovolumétrica (ou isocóri- ca) ocorre sem que haja alteração no volume ocupado pela massa gasosa – ou seja, apenas a pressão e a temperatura sofrem mudança. Veja o que ocorre numa amostra de gás aprisionada em um recipiente rígido e indeformável que sofre alteração de temperatura: Matematicamente, a partir da lei geral dos gases ideais, concluímos que: T p T p T p T p i i i f f f i i f fV V & $ $ = = Essa relação matemática mostra que, numa transformação isovolumétrica, a pressão e a temperatura de um gás são grandezas di- retamente proporcionais, ou seja, ao dobrar- mos a temperatura da amostra de gás, verifi- camos que a pressão exercida por ele também dobra. Repare que as temperaturas são dadas em Kelvin. E, como não podemos fazer nenhu- ma divisão por zero, então é impossível que a amostra tenha, no início ou no final, tempera- tura de 0 K. Podemos representar essa trans- formação gasosa em um gráfico (veja o gráfico Pressão versus temperatura, na pág. ao lado). TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA Uma transformação gasosa que ocorre sem alteração de pressão é chamada isobárica. Veja o que acontece com uma amostra gasosa apri- sionada num recipiente com um êmbolo mó- vel, ou seja, cujo volume pode ser alterado. Matematicamente, a partir da lei geral dos gases ideais, temos: T p T p T Ti i i f f f i i f fV V V V& $ $ = = Essa relação matemática mostra que, numa transformação isobárica, o volume e a tempe- ratura de um gás são grandezas diretamente V constante P i , V i , T i n mols de gás que ocupam volume V i e estão à temperatura T i exercem a pressão P i sobre as paredes do recipiente Os mesmos n mols do gás são aquecidos à temperatura T f . A tampa hermética não deixa o volume crescer. As moléculas se agitam e aumentam a pressão nas paredes do recipiente (P f . > P i ) n mols de gás ocupando volume V i e sob a temperatura T i exercem a pressão P i sobre as paredes do recipiente Os mesmos n mols de gás são aquecidos à temperatura T f . O êmbolo é móvel e sobe, abrindo espaço para as moléculas: o volume aumenta. Com mais espaço, as moléculas mantêm a pressão sobre as paredes do recipiente (P f = P i ) P atm P constante P atm P i , V i , T i MAIS LEVE QUE O AR? Dentro e fora de um balão, tudo é ar. Ele flutua porque o ar de seu interior é aquecido. Menos denso que o ar do exterior, o ar quente se expande e leva o balão para cima 1 TERMOLOGIA AULA 4 • TRANSFORMAÇÕES GASOSAS 31GE FÍSICA 2016 proporcionais, ou seja, ao dobrarmos a tem- peratura da amostra de gás, o volume ocupado por ele também dobra. Podemos representar essa transformação gasosa em um gráfico que relacione as variáveis de estado desse gás (veja o gráfico Volume versus temperatura, ao lado). As variações numa transformação isobárica podem também ser representadas pela relação entre pressão e volume: P V TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA A transformação isotérmica é aquela na qual a temperatura da amostra de gás não se alte- ra, ou seja, em uma transformação isotérmica, apenas as variáveis de estado pressão e volume sofrem alteração. Matematicamente, pela lei geral dos gases ideais, temos: T p T p p p i i i f f f i i f f V V V V& $ $ $ $= = Note na expressão acima que, numa trans- formação em que a temperatura é cons- tante, a pressão e o volume são grandezas inversamente proporcionais – ou seja, se uma sobe, a outra desce, porém, mantendo o produto entre elas constante. A representação de uma transformação isotérmica em um grá- fico de pressão por volume se dá pela chamada curva isoterma (veja os gráficos Pressão ver- sus temperatura e Curvas isotermas, ao lado). A pressão varia de forma proporcional à temperatura: se uma dobra, a outra também dobra. Se triplica, também triplica. Note que o gráfico não está definido na origem, ou seja, a reta que define a proporção entre pressão e temperatura não chega às coordenadas (0, 0). Isso indica que não é possível a um gás atingir a temperatura de 0 K ou pressão nula. Numa transformação em que a temperatura não varia (isotérmica), os pontos que definem a pressão e o volume de gás se alinham em uma curva chamada isoterma, que tem a forma de hipérbole porque o produto das duas grandezas é constante. Numa transformação em que a pressão é mantida constante, quanto mais alta for a temperatura, maior será o volume ocupado pelo gás. Repare que a reta não atinge a origem do sistema cartesiano. Isso indica que é impossível que uma amostra de gás esteja à temperatura de 0 K ou que ocupe volume nenhum. PRESSÃO VERSUS TEMPERATURA PRESSÃO VERSUS VOLUME VOLUME VERSUS TEMPERATURA Quanto mais afastada da origem está a isoterma, maior é a temperatura em que ocorre a transformação. P f P i T i T f 0 P (N/m2) T (K) P f P i V i V f 0 P (N/m2) V (m3) V f V i T i T f 0 V (m2) T (K) CURVAS ISOTERMAS PRESSÃO IGUAL, VOLUME DIFERENTE Numa transformação isobárica, a pressão permanece constante e o volume se altera P 1 P 2 V 1 Isotermas V 2 T 3 > T 2 > T 1 T 3 T 2 T 1 0 V (m3) P (N/m2) REUTERS 32 GE FÍSICA 2016 COMO CAI NA PROVA1 1. (Famerp 2015) À temperatura de 20ºC, uma arruela (disco metálico com um orifício central) tem raio externo R e raio interno r. Elevando-se igualmente a temperatura de todas as partes da arruela de um valor ∆Ƨ, o raio externo dilata-se de um valor ∆R e o raio interno dilata-se de: a) (R – r) . ∆R b) (R + r) . ∆R c) (r/R) . ∆R d) ∆R e) (R/r) . ∆R RESOLUÇÃO Questão típica de vestibular e Enem, que exige apenas que você domine conceitos – neste caso, a relação de proporção entre a variação de tamanho de r e R (∆r e ∆R). Mas atenção: você deve se lembrar que a parte oca de um corpo dilata-se como se fosse preenchida pelo material que constitui todo o corpo. Então, é só aplicar a expressão da dilatação linear TL = a . L 0 .Ti , considerando cada um dos raios. t� %JMBUBÎÍP�EP�SBJP�NFOPS� rQ V: T r = a . r Ti t� %JMBUBÎÍP�EP�SBJP�NBJPS� RQ V: T R . a . R .Ti Se o material é o mesmo, o coeficiente de dilatação (α) também é o mesmo. Além disso, todas as regiões da arruela sofrem a mesma variação de temperatura, então Ti também é igual para r e para R. Então, ficamos com: TR Tr = a . R .Ti a . r .Ti & TR Tr = R r & Tr = R r .TR Resposta: c 2. (Vunesp 2015) Para determinar o valor energético de um alimento, pode- mos queimar certa quantidade desse produto e, com o calor liberado, aquecer determinada massa de água. Em seguida, mede-se a variação de temperatura sofrida pela água depois que todo o produto foi queimado, e determina-se a quantidade de energia liberada na queima do alimento. Essa é a energia que tal alimento nos fornece se for ingerido. No rótulo de um pacote de castanha-de-caju, está impressa a tabela a seguir, com informações nutricionais sobre o produto. INFORMAÇÃO NUTRICIONAL Porção 15 g Quantidade por porção Valor energético 90 kcal Carboidratos 4,2 g Proteínas 3 g Gorduras totais 7,3 g Gorduras saturadas 1,5 g Gordura trans 0 g Fibra alimentar 1 g Sódio 45 mg (www.brcaju.com.br) Considere que 150 g de castanha tenham sido queimados e que determinada massa m de água, submetida à chama dessa combustão, tenha sido aquecida de 15 ºC para 87 ºC. Sabendo que o calor específico da água líquida é igual a 1 cal/g . ºC e que apenas 60% da energia liberada na combustão tenha efeti- vamente sido utilizada para aquecer a água, é correto afirmar que a massa m, em gramas, de água aquecida era igual a: a) 10 000 b) 5 000 c) 12 500 d) 7 500 e) 2 500 RESOLUÇÃO Atenção para dois detalhes do enunciado: t��A tabela informa o número de kcal de 15 g de castanha. Mas a questão se refere à queima de 150 g. Então, se na queima de 15 g obtemos 90 kcal, na queima de 150 g serão 900 kcal; t��/B�UBCFMB �B�unidade para energia é kcal, mas o enunciado da questão apre- senta esse valor em cal. Você tem de se lembrar que 1 kcal = 1 . 103 cal. Então, 900 kcal = 9 . 105 cal. A massa da água aquecida você calcula pela expressão que dá a quantidade de calor sensível recebida ou cedida por um corpo: Q = m . c . ∆Ƨ, em que m é a massa e c, o calor específico da água. Atenção, novamente: o enunciado informa que apenas 60% da quantidade de energia usada para a queima da castanha contribuíram para o aquecimento da água. Essa é a quantidade de energia útil. Temos, então Q útil = 0,6 . Q → Q útil = 0,6 . 9 . 105 → Q útil = 5,4 . 105 cal Aplicando esses valores à equação fundamental da calorimetria, temos Q = m . c . ∆Ƨ → 5,4 . 105 = m . 1 . (87 – 15) → 72 . m= 5,4 . 105 → m = 7 500 g Resposta: d 3. (PUC-Rio 2010, adaptado) Um cubo de gelo de massa m dentro de um copo com água resfria o seu conteúdo. Se o copo com água tem 252 ml e suas respectivas temperaturas iniciais são 0 ºC e 24 ºC, qual a massa de gelo que deve ser colocada para que a temperatura final do sistema seja de 4 ºC? (Considere que o calor específico da água é c a = 1,0 cal / (g . ºC), o calor latente de fusão do gelo L = 80 cal/g, e d = 1 g/ml.) a) 2 b) 8 c) 12 d) 20 e) 60 RESOLUÇÃO A troca de calor até o sistema atingir o equilíbrio térmico na temperatura de 4 oC pode ser representada no gráfico abaixo (fora de escala). 24 4 0 Q água Q fusão Q 1 tempo Ƨ (ºC) /P�HSÈmDP �2água é a quantidade de calor para o resfriamento da água; Qfusão é a quantidade de calor na fusão do gelo; Q1 é o aquecimento da massa de água resultante da fusão do gelo de 0 ºC a 4 ºC. Se o sistema é termicamente isolado, então Qágua + Qfusão + Q1 = 0 (m1 . c . ∆Ƨ)água + (m2 . L)gelo + (m2 . c . ∆Ƨ) = 0 A densidade da água é 1 g/ml. Então, um volume de 252 mL tem massa m1 = 252 g. Substituindo os valores dados na expressão acima, ficamos com 252 . 1 . (4 – 24) + m2 . 80 + m2 . 1. (4 – 0) = 0 84 . m2 = 5040 → m2 = 5040 / 84 → m2 = 60g Resposta: e 33GE FÍSICA 2016 RESUMO 4. (Vunesp 2013) Determinada substância pura encontra-se inicialmente, quando t = 0 s, no estado sólido, a 20 ºC, e recebe calor a uma taxa constante. O gráfico representa apenas parte da curva de aquecimento dessa substância, pois, devido a um defeito de impressão, ele foi interrompido no instante 40 s, durante a fusão da substância, e voltou a ser desenhado a partir de certo instante posterior ao término da fusão, quando a substância encontrava-se totalmente no estado líquido. Sabendo-se que a massa da substância é de 100 g e que seu calor específico na fase sólida é igual a 0,03 cal/(g .°C), calcule a quantidade de calor necessária para aquecê-la desde 20 °C até a temperatura em que se inicia sua fusão, e determine o instante em que se encerra a fusão da substância. 800 480 320 20 0 0(ºC) 18 40 128 148 t(s) RESOLUÇÃO A quantidade de calor absorvida pela substância no aquecimento de 20 ºC até 320 ºC é dada pela equação geral da calorimetria: Q = m . c . ∆Ƨ Substituindo na expressão os valores fornecidos no enunciado, ficamos com Q = 100 . 0,03 . (320 – 20) → Q = 900 cal. Analisando as etapas seguintes de aquecimento no gráfico: t��A substância passou de 480 oC para 800 oC em 20 segundos (entre 128 e 148 s) ; t�%VSBOUF�B�GVTÍP� NVEBOÎB�EF�FTUBEP �B�UFNQFSBUVSB�TF�NBOUÏN�DPOTUBOUF�� Portanto, apesar de o gráfico não mostrar (trecho interrompido), sabemos que depois da fusão, a temperatura subiu de 320 ºC para 480 ºC. Isso equivale a uma elevação de 160 ºC. O gráfico da elevação da temperatura em função do tempo é uma reta – portanto, uma função linear. Então, podemos estabelecer a relação de proporção: se para 320 ºC são necessários 20 s, para 160 ºC precisamos de 10 s de aquecimento. Uma simples subtração nos dá o instante no qual se encerra a fusão (ao final do trecho em patamar, no gráfico): t = 128 – 10 → t = 118 s. Resposta: Q = 900 cal e t = 118 s. 5. (FMJ 2014) Certo número de moléculas de um gás perfeito encontra-se confinado em um recipiente rígido. Ao receber calor de uma fonte externa, sua pressão (p) e sua temperatura absoluta (T) são alteradas. O gráfico que representa, qualitativamente, essa transformação é: P a) b) c) d) e) P P P P T T T T T RESOLUÇÃO Se o recipiente tem paredes rígidas, o volume ocupado pelo gás permanece o mesmo USBOTGPSNBÎÍP�JTPWPMVNÏUSJDB ��/FTTF�DBTP �B�QSFTTÍP� Q �F�TVB�UFNQFSBUVSB�BCTPMVUB� (T) são diretamente proporcionais e essa proporção é representada por uma reta. Como ambas as grandezas crescem, a reta é ascendente. Resposta: e Termologia TEMPERATURA E CALOR Temperatura é a medida do grau de agitação das moléculas de um corpo. Quanto mais quente estiver o corpo, maior sua temperatura, e vice-versa. Calor é a quantidade de energia transferida entre corpos que apresentam temperaturas distintas. O calor pode ser medido em joules (J) ou em calorias (cal). Dois ou mais corpos atingem o equilíbrio térmico quando suas temperaturas se tornam iguais – ou seja, não há mais transferência de energia térmica entre eles. Condução térmica é o processo de propagação que se dá através da transmissão da agitação molecular de uma partícula para a seguinte. Convecção térmica é o processo de propagação de calor por meio do transporte de matéria de um sistema. Ocorre sempre que há uma diferença de temperatura num líquido ou gás, o que altera a densidade de material. Ra- diação térmica ou irradiação é o processo de transferência de energia térmica por ondas eletromagnéticas. É o único processo que não depende da existência de um meio físico entre os corpos. DILATAÇÃO Dilatação linear é a variação no tamanho de um corpo sólido cuja única dimensão significativa é o comprimento: TL = Lo .a .Ti . Dilatação superficial é o aumento da área de um sólido de espessura desprezível: TA = Ao . b .Ti . Dilatação volumétrica é a variação de volume de um sólido em que todas as dimensões são sig- nificativas: TV = Vo .c .Ti . O cálculo da dilatação real de um líquido deve levar em conta a dilatação do recipiente que o contém: TVReal = AVaparente + TVrecipiente CALORIMETRIA Calor específico é a quantidade de ener- gia necessária para que 1 grama de um material varie a temperatura em 1 °C. Unidades: cal/g . oC e, no S.I., joule por quilograma e Kelvin (J / kg . K). Capacidade térmica indica a energia que um corpo absorve ou perde quando sua temperatura varia. Unidade: J / K. Quantidade de calor sensível é a quantidade de energia envolvida no processo de alteração da temperatura de um corpo, sem que o corpo mude de estado físico: Q = m. c .Ti . Quantidade de calor latente é a energia envolvida no processo de mudança do estado físico de um corpo, e seu valor depende tanto da massa quanto da mudança de estado físico em questão: Q = m.L TRANSFORMAÇÕES GASOSAS Num gás ideal, as três variáveis de estado (pressão, volume e temperatura) estão relacionadas com a quantidade de gás existen- te na amostra. Equação de Clapeyron: p . V = n . R . T Lei geral dos gases ideais: numa transformação gasosa, a relação entre pressão, volume e temperatura de um gás se mantém constante: Ti pi . Vi = Tf pf . Vf =n .R 34 GE FÍSICA 2016 POEIRA CELESTIAL A Nebulosa Cabeça de Cavalo, na Constelação de Órion, a 1,5 mil anos-luz da Terra, em uma das mais fabulosas fotografias em alta resolução do Telescópio Espacial Hubble N o início dos anos 1920, Edwin Hubble (1889-1953) fez duas das maiores desco-bertas da cosmologia: a Via Láctea, onde se encontra nosso Sistema Solar, não é a única galáxia, mas apenas uma em bilhões delas, e todas essas galáxias se afastam umas das outras – ou seja, o Universo está se expandindo. O astrô- nomo norte-americano trabalhou com um dos mais potentes telescópios da época, o Hooker, na Califórnia. Nove décadas depois, o nome Hubble continua associado a grandes descobertas sobre o Cosmo, agora batizando o mais conhecido e ba- dalado instrumento de observação, o Telescópio Espacial Hubble, que completa 25 anos de ope- ração em 2015. Ao longo desse tempo, cientistas obtiveram dados inusitados sobre os primórdios da formação do Universo e a dinâmica de galáxias e estrelas. E o público em geral foi presenteado com as mais impressionantes fotografias de um mundo jamais imaginado. O espelho do telescópio Hubble tem prati- camente as mesmas dimensões do espelho do Hooker, mas o avanço da tecnologia dá ao novo instrumento uma capacidade muito maior de captar a luz e dela obter dados fundamentais para a compreensão da evolução e da estrutura do Cosmo. Além disso, por estar a mais de 500 quilômetros de altitude, capta imagens sem as distorções causadas pela atmosfera. O Hubble vasculhou as regiões mais profundas do Cosmo, mediu sua idade (13,4 bilhões de anos), registrou o nascimento e a morte de estrelas e identificou buracos negros no centro de galáxias e corpos escuros, como os planetas anões, que giram em torno do Sol. As informações coletadas rende- ram mais de 13 mil artigos científicos, alguns laureados com o Prêmio Nobel. O projeto, idealizado nos anos 1970, sofreu di- versos reveses, como atrasos e aumentos de custo. Após o lançamento, em 1990, as primeiras imagens mostraram que o espelho apresentava um desvio de mícrons (milésimos de milímetro), o suficiente para borrar as imagens. Foram necessários três anos para que o defeito fosse corrigido. Hoje, depois de 25 anos de bons serviços prestados, o Hubble está para se aposentar e ceder lugar a seu sucessor, James Webb. O lançamento e a permanência de um telescópio em órbita da Terra têm relação com variáveis como ve- locidade, aceleração e gravidade – conceitos básicos da cinemática, tema deste capítulo. Depois de 25 anos em operação, o Telescópio Espacial Hubble está para ser aposentado, com uma coleção única de grandes descobertas e imagens fascinantes Potente câmera fotográfica do Cosmo CONTEÚDO DESTE CAPÍTULO arrow aula 1 > Conceitos ............................................................................................36 arrow aula 2 > Movimento retilíneo uniforme ...................................................40 arrow aula 3 > Movimento retilíneo uniformemente variado ......................43 arrow aula 4 > Lançamentos .....................................................................................46 arrow Infográfico ..........................................................................................................50 arrow Questões e Resumo ..........................................................................................52 2 CINEMÁTICA 35GE FÍSICA 2016 NASA/ESA/HUBBLE HERITAGE TEAM 36 GE FÍSICA 2016 O que define um movimento AINDA ASSIM, MOVE-SE
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