aula Calorimetria

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Ciências da Natureza e suas 
Tecnologias - Física
Ensino Médio, 2º Ano 
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Algumas curiosidades...
Antes de responder, vamos conhecer alguns conceitos fundamentais...
Por que durante o dia é tão quente no deserto, mas à noite é tão frio?
Por que, durante o dia, quando estamos na praia, percebemos que o vento sopra da água para a areia, mas à noite esse sentido é invertido?
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FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Energia Térmica em trânsito devido a diferença de temperatura entre corpos. Costuma-se dizer que calor é ENERGIA TÉRMICA EM MOVIMENTO.
Obs.: O Calor SEMPRE flui espontaneamente do corpo de MAIOR temperatura para o corpo de MENOR temperatura.
Calor
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FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Físico, Químico e Médico escocês, evidenciou-se no seu trabalho sobre Termodinâmica, sendo o primeiro a distinguir Calor de Temperatura. Introduziu a noção de Calor Específico e de Calor Latente. É considerado, juntamente com Cavendish e Lavoisier, um dos pioneiros da Química Moderna.
Joseph Black (1728 – 1799)
Imagem: James Heath (engraver) after Henry Raeburn / Domínio Público
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Por meio de experimentos nos quais misturava substâncias a diferentes temperaturas, observou que os resultados não condiziam com as teorias da época, que apontavam o calor como uma substância fluida (chamada de calórica) presente na matéria.
XAVIER, Claudio & BENIGNO, Barreto. Física aula por aula. Volume 2. FTD. 1ª ed. 2010.
Imagem: James Heath (engraver) after Henry Raeburn / Domínio Público
Joseph Black (1728 – 1799)
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Classificação do Calor
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Calor que produz variação de temperatura sem que o estado físico da matéria seja alterado.
Calor Sensível
Ex.: Quando colocamos algo para aquecer no fogo, estamos aumentando sua temperatura.
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
A energia é medida em joules (J) no (S.I.). Como o calor também é uma forma de energia, possui a mesma unidade. Por motivos históricos e práticos, também usamos outra unidade, a caloria (cal).
Representamos a quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo pela letra”Q”.
Unidade de medida de Calor
1 cal = 4,18 J
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC a temperatura de um corpo.
Capacidade Térmica
Equivale ao quociente entre a quantidade de calor recebido ou cedido pelo corpo e a correspondente variação de temperatura.
Exemplo:
Q = 40 cal
46ºC
26ºC
∆T = 20 ºC
Neste caso, temos:
Logo:
Esse resultado nos indica que, para variar a temperatura desse corpo em 1 ºC, precisaremos fornecer a ele 2 cal.
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
(Exemplo 01) Define-se a capacidade térmica de um corpo (C) como a razão entre a quantidade de calor que ele recebe (Q) e a correspondente variação de temperatura ocorrida (ΔT):
 
Se um corpo de capacidade térmica igual a 25 cal/ºC recebe calor de uma fonte durante 20 minutos com taxa constante de 50 cal/min, ele sofre uma variação de temperatura, em ºC, igual a
a) 10,0.
b) 40,0.
c) 50,0.
d) 62,5.
e) 84,5.
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Resolução
Sabendo que a taxa de recebimento de energia é de 50 cal/min, depois de 20 min, o corpo terá recebido 1000 cal de calor. A partir
P = Q/∆t
Q = P x ∆t
Q = 50 cal/min x 20 min = 1000cal
Q = mc∆t
C = mc
 da capacidade térmica do corpo e da quantidade de calor recebida, pode-se determinar a variação de temperatura sofrida pelo corpo.
 
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
(Exemplo 2) Determine a capacidade térmica, em cal/°C, para 300 g de uma substância que possui calor específico igual a 0,09 cal/g.ºC.
a) 9
b) 12
c) 15
d) 27
e) 33
Resoluçã:
A capacidade térmica pode ser determinada por meio produto da massa pelo calor específico da substância. Sendo assim, pode-se escrever:
 
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Um calorímetro sofre uma variação de temperatura de 20°C quando absorve uma quantidade de calor de 100 J.
A) Qual a capacidade calorifica?
B) Qual a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura desse calorímetro em 50°C?
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Resolução
A) Aplicando a definição de capacidade calorifica, temos:
C = Q/ Δt
C = 100/20 = 5 J/°C
B) Da mesma forma:
Q = C. Δt
Q = 5 . 50 = 250 J.
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Quantidade de calor necessária para elevar em 1ºC a temperatura de uma unidade de massa de um corpo.
Calor Específico
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Exemplo:
Esse resultado nos indica que, para variar a temperatura de 1 g do material que compõe esse corpo em 1 º C, precisaremos fornecer a ele 0,5 cal.
Nesse caso, temos:
Logo:
Q = 0,5 cal
27ºC
26ºC
∆T = 1 ºC
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Equação Fundamental da Calorimetria
Como
Temos que:
Essa expressão nos mostra que a Quantidade de Calor Sensível (QS) é DIRETAMENTE PROPORCIONAL
à Massa (m) do corpo  Quanto maior a massa do corpo, maior a quantidade de calor necessária para variar sua temperatura;
ao Calor Específico (c)  Quanto maior o calor específico, maior a quantidade de calor necessária para variar sua temperatura;
à Variação de Temperatura (∆T)  Quanto maior a variação de temperatura que se deseja obter de um corpo, maior a quantidade de calor que se deve fornecer.
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
(Exemplo 3) Determine a quantidade de calor necessária para aquecer o volume de 2 L de água a uma temperatura de 25ºC até a temperatura de 100ºC, em condições normais de pressão.
Dados:
densidade da água: 1kg/L
calor específico da água: 1 cal/g°C ou 4200 J/kg.K
1 cal = 4,2 J
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Resolução
Inicialmente, é necessário determinarmos a massa de água contida no volume de 1 L. Para tanto, devemos observar que a densidade da água, informada pelo exercício, é de 1 kg/L, portanto, a massa de água em questão é de 2 kg.
Depois disso, usaremos a equação do calor sensível para calcularmos a quantidade de calor que é necessária para que ocorra o aquecimento da água de 25ºC para 100ºC:
 
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
(Exemplo 4) Toda substância apresenta uma propriedade física que determina qual é a quantidade de calor necessária por unidade de massa desse corpo para que a sua temperatura varie em 1ºC ou 1K. Essa propriedade e sua unidade física, no Sistema Internacional de Unidades, são, respectivamente, iguais a:
a) calor específico e J/kg.K.
b) calor específico e cal/g°C.
c) capacidade térmica e J/K.
d) calor latente e J/kg.
e) coeficiente de dilatação volumétrica e °C-1.
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Calor sensível,capacidade térmica e calor específico
Um corpo de 10 kg precisa receber 2500 J de calor sensível para ter sua temperatura variada em 10 K. Determine sua capacidade térmica.
a) 250 J/K
b) 25 J/K				Ct = Q/∆T
c) 2500 J/K			Ct = 2500J/10K
d) 150 J/K			Ct = 250J/K
e) 50 J/K
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
No deserto, durante o dia, a temperatura atinge valores muito elevados; situação que se inverte à noite, com temperaturas bem baixas. 
Imagem: Thomas Tolkien / Creative Commons Attribution 2.0 Generic
Curiosidade
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
A areia do deserto possui calor específico relativamente pequeno, o que a faz aquecer com muita facilidade durante o dia e se resfriar facilmente à noite. Por isso, as temperaturas variam muito.
Curiosidade
A explicação dessa variação se baseia no conceito de calor específico.
Imagem: Thomas Tolkien / Creative Commons Attribution 2.0 Generic
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
1 Cal = 1000 cal
Curiosidade
A “Caloria” utilizada por médicos e nutricionistas é, na realidade, a quilocaloria (1 kcal = 1000 cal), também chamada Grande Caloria. 
Imagem: Glane23 / GNU Free Documentation License
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Curiosidade
Brisa Marítima X Brisa Continental
Por que, quando estamos na praia durante o dia, percebemos que os ventos sopram da água para a praia e à noite esse sentido é invertido?
Imagem: Tó campos1 / Domínio Público
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
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FÍSICA, 1º ANO
Lei da Inércia e Ação e Reação
Brisa Marítima X Brisa Continental
Durante o dia, a temperatura da terra se eleva mais rapidamente que a da água. Isso acontece porque o calor específico da água é maior que o da terra. Ou seja, é necessário maior quantidade de calor para elevar a temperatura de certa massa de água que elevar a temperatura da mesma massa de areia. As camadas de ar que estão em contato com a areia se aquecem mais, ficam menos densas e sobem. Seu lugar é ocupado pelo ar frio que está em contato com a água. Surge assim uma brisa do mar para a praia (Brisa Marítima).
Dia
z
o ar se esfria e desce
AR DE ALTA
PRESSÃO
AR DE BAIXA
PRESSÃO
o ar é mais frio
sobre o mar
e se move em
direção ao continente
o ar se aquece no
continente e sobe
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
À noite, o movimento se inverte. Devido, ainda, aos diferentes valores de calores específicos, a terra esfria mais rapidamente. A água demora mais para esfriar. Assim, à noite, o ar mais quente é o que está em contato com a água. Por ser menos denso, ele sobe, dando lugar ao ar mais frio que está em contato com a praia. Produz-se então a brisa da terra para o mar (Brisa Continental ou Brisa Terrestre).
Brisa Marítima X Brisa Continental
Noite
z
o ar se esfria em altitude e desce
AR DE BAIXA
PRESSÃO
AR DE ALTA
PRESSÃO
o ar mais frio sobre o continente se desloca em direçáo ao mar
o ar mais aquecido sobre o mar sobe
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Recipiente termicamente isolado que evita troca de calor entre o seu conteúdo e o meio externo.
Em princípio, um calorímetro ideal não deveria trocar calor com os corpos de seu interior, mas na prática isso ocorre. Portanto, em alguns casos, vamos considerar a capacidade térmica do calorímetro no equacionamento da troca de calor.
Imagem: Akshat Goel / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported
Calorímetro
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
A garrafa térmica é um tipo de calorímetro. 
Calorímetro
Com a finalidade de isolar termicamente o conteúdo de uma garrafa térmica do meio ambiente, adotam-se os seguintes procedimentos:
As paredes internas são feitas de vidro, que, por ser mau condutor, atenua a troca de calor por condução;
as paredes internas são duplas, separadas por uma região de vácuo, cuja função é evitar a condução do calor que passa pelas paredes de vidro.
Imagem: Henna / Creative Commons Attribution-Share Alike 1.0 Generic
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
O vidro de que são feitas as paredes internas da garrafa é espelhado, para que o calor radiante seja refletido, atenuando assim as trocas por irradiação.
Para evitar as possíveis trocas de calor por convecção, basta fechar a garrafa, pois dessa forma as massas fluidas internas não conseguem sair do sistema.
É evidente que não existe o isolamento térmico perfeito; assim, apesar dos cuidados citados, após um tempo relativamente grande (várias horas), o conteúdo da garrafa térmica acaba atingindo o equilíbrio térmico com o meio ambiente.
A garrafa térmica é um tipo de calorímetro. 
Imagem: Henna / Creative Commons Attribution-Share Alike 1.0 Generic
Calorímetro
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Trocas de calor
Num sistema de vários corpos, termicamente isolados do meio externo, a soma das quantidades de calor por eles trocados é igual a zero.
Para um sistema de n corpos, escrevemos:
No caso de o sistema não estar termicamente isolado ou de o calorímetro não ser ideal, devemos levar em conta a troca de calor dos corpos com o ambiente.
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
(Exemplo 4) Em uma xícara que contém 300 ml de chá em uma temperatura de 75 ºC, adiciona-se 20 ml de água gelada a uma temperatura de 5ºC. Considere que a xícara não absorva nenhuma quantidade de calor durante o resfriamento do chá e determine a temperatura de equilíbrio do sistema.
Dados:
densidade da água: 1kg/L ou 1g/ml
calor específico da água (igual à do chá): 1 cal/g°C ou 4200 J/kg.K
1 cal = 4,2 J
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
(RESOLUÇÃO) De acordo com a densidade informada, 300 ml de água são equivalente a 300 g de água, enquanto 20 ml equivalem a 20 g. Para resolvermos esse exercício, dizemos que toda a quantidade de calor que é cedida pelo chá quente é absorvida pela porção de água fria, uma vez que a xícara não absorve calor. Dessa forma, a soma das quantidades de calor deverá ser igual a zero. Além disso, a temperatura de equilíbrio (TF) deve ser igual para a água e para o chá. Dessa forma:
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Vamos Exercitar?
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Exercício 01
(VUNESP-SP) Massas iguais de cinco líquidos distintos, cujos calores específicos estão dados na tabela adiante, encontram-se armazenadas, separadamente e à mesma temperatura, dentro de cinco recipientes com boa isolação e capacidade térmica desprezível. Se cada líquido receber a mesma quantidade de calor, suficiente apenas para aquecê-lo, mas sem alcançar seu ponto de ebulição, aquele que apresentará temperatura mais alta, após o aquecimento, será:
a) a água.
b) o petróleo.
c) a glicerina.
d) o leite.
e) o mercúrio.
	Tabela	
	Líquido	Calor Específico (J/9°C)
	Água
Petróleo
Glicerina
Leite
Mercúrio	4,19
2,09
2,43
3,93
0,14
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Resolução
Pela equação geral da calorimetria (Qs = m.c.∆T), percebemos que a variação de temperatura é inversamente proporcional ao calor específico da substância. Ou seja, vai sofrerMAIOR VARIAÇÃO DE TEMPERATURA aquela substância que apresentar MENOR CALOR ESPECÍFICO.
Resposta:
e) o mercúrio: c = 0,14 J/g.ºC
Resposta: e)
FÍSICA, 2º Ano do Ensino Médio
Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Exercício 02
(FUVEST-SP) Um bloco de massa 2,0 kg, ao receber toda energia térmica liberada por 1000 g de água que diminuem a sua temperatura de 1°C, sofre um acréscimo de temperatura de 10°C. O calor específico do bloco, em cal/g.°C, é: (Adote: cágua: 1,0 cal/g.°C)
a) 0,2
b) 0,1
c) 0,15
d) 0,05
e) 0,01
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Sabemos que:
Resolução
Como todo calor liberado pela água vai ser aproveitado para aquecer o bloco, temos que:

Substituindo os valores, obtemos:


Resposta: d)
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Exercício 03
(FATEC-SP) Um frasco contém 20 g de água a 0°C. Em seu interior é colocado um objeto de 50 g de alumínio a 80°C. Os calores específicos da água e do alumínio são respectivamente 1,0 cal/g°C e 0,10 cal/g°C.
Supondo não haver troca de calor com o frasco e com o meio ambiente, a temperatura de equilíbrio dessa mistura será:
a) 60°C
b) 16°C
c) 40°C
d) 32°C
e) 10°C
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Resolução
Sabemos que:
Como não vai haver troca de calor com o meio externo, temos que:
Substituindo os valores, obtemos:






Resposta: b)

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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Exercício 04
a) o corpo maior é o mais quente.
b) o corpo menor é o mais quente.
c) não há troca de calor entre os corpos.
d) o corpo maior cede calor para o corpo menor.
e) o corpo menor cede calor para o corpo maior.
(FEI-SP) Quando dois corpos de tamanhos diferentes estão em contato e em equilíbrio térmico, e ambos isolados do meio ambiente, pode-se dizer que:
Resolução
Como os corpos estão em equilíbrio térmico, não vai existir calor, visto que CALOR É A ENERGIA TÉRMICA EM TRÂNSITO devido a diferenças de temperatura entre os corpos.
Resposta: c)
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Exercício 05
(PUC-SP - Modificada) É preciso abaixar de 3°C a temperatura da água da bacia, para que o nosso amigo possa tomar banho confortavelmente. Para que isso aconteça, quanto calor deve ser retirado da água?
O caldeirão contém 10 kg de água e o calor específico da água é 1 cal/g°C.
a) 20 kcal
b) 10 kcal
c) 50 kcal
d) 30 kcal
e) Precisa-se da temperatura inicial da água para determinar 
 a resposta.
Imagem: Richfife / Domínio Público
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Resolução
Sabemos que:
Da equação geral da calorimetria, temos
Resposta: d)
)
Substituindo os valores, obtemos:

O sinal negativo indica que o calor foi retirado da água.
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Extras
VÍDEO DO YOUTUBE
Calor específico
Link: http://www.youtube.com/watch?v=dLZVp4m49kA
 
Calorimetria
Link: http://www.youtube.com/watch?v=X_JR7OpoNxE
 
SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL
Transferência de calor entre um metal e a água
Link: http://group.chem.iastate.edu/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/thermochem/heat_metal.html
 
Equilíbrio térmico
Link: http://group.chem.iastate.edu/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/thermochem/thermoEquiv.html
  
EXPERIÊNCIAS/ EXPERIMENTOS
Capacidade térmica do calorímetro (Determinação)
Link: http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_32.asp
CURIOSIDADES
Equivalente mecânico do calor
Link: http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/ET_05.asp
 
LISTAS DE EXERCÍCIOS
Cola da Web
Link: http://www.coladaweb.com/exercicios-resolvidos/exercicios-resolvidos-de-fisica/calorimetria
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
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Calor sensível, capacidade térmica e calor específico
Bibliografia
BENIGNO, Barreto Filho; XAVIER, Cláudio da Silva. Física aula por aula. 1. ed. Vol. 02. São Paulo: Editora FTD, 2010.
GASPAR, Alberto. Compreendendo a Física. Vol. 02. São Paulo: Editora Ática, 2011. 
GUALTER; HELOU; NEWTON. Física. Vol. 02. São Paulo: Editora Saraiva, 2011. 
MÁXIMO, Antônio; ALVARENGA, Beatriz. Curso de Física. 1. ed. Vol. 02. São Paulo: Editora Scipione, 2011.
<http://educar.sc.usp.br> Acesso em 12/06/2012.
<http://pt.wikipedia.org> Acesso em 12/06/2012.
<http://www.ciencia-cultura.com/Pagina_Fis> Acesso em 12/06/2012.
<http://www.coladaweb.com/fisica> Acesso em 12/06/2012.
<http://www.fisica.ufs.br> Acesso em 12/06/2012.
<http://www.fisicafacil.pro.br> Acesso em 12/06/2012.
<http://www.if.ufrj.br> Acesso em 12/06/2012.
<http://www.infoescola.com/fisica> Acesso em 12/06/2012.
<http://www.mundoeducacao.com.br> Acesso em 12/06/2012.
<http://www.sofisica.com.br/conteudos> Acesso em 12/06/2012.
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	13	Glane23 / GNU Free Documentation License	http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pringles_chips.JPG	13/09/2012
	14	Tó campos1 / Domínio Público	http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Brisa.jpg	13/09/2012
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