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Ilustrações de  Fernando Chuí de Menezes Mário Kano

Leituras de Física

FÍSICA TÉRMICA:

Para ler e pensar

GREF - Instituto de Física da USP
Grupo de Reelaboração do Ensino de Física Instituto de Física da USP
Financiamento e apoio: USP/MEC-FNDE / CAPES-MEC / FAPESP / MEC / CENP
Junho de 1998
Equipe: Anna Cecília Copelli / Carlos Toscano / Dorival Rodrigues Teixeira / Isilda Sampaio Silva / Jairo Alves Pereira / João Martins / Luís Carlos de Menezes (coord.) / Luís Paulo de Carvalho Piassi / Suely Baldin Pelaes / Wilton da Silva Dias / Yassuko Hosoume (coord.)

01

Calor
Presença universal

Se alguma coisa dá a impressão
de não ter nada a ver com a idéia de calor...
é só impressão!

Não há nada, na natureza ou nas
técnicas, que não tenha
a ver com o calor

Todas as coisas recebem e cedem calor o tempo todo. Quando esta troca é equilibrada, se diz que elas estão em equilíbrio térmico. Quando cedem mais do que recebem, ou vice-versa, é porque estão mais quentes ou mais frias que seu ambiente.

Calor, presença universal

Quando tentamos pensar em alguma coisa que "não tem nada a ver com o calor" é natural, por oposição, pensar em algo frio. Na realidade, quando se diz que um objeto está frio, é porque está menos quente que o ambiente à sua volta, ou porque está menos quente do que a mão que tateia o objeto.

Como veremos, a percepção de que alguma coisa "é fria" está associada a ela estar tomando calor do ambiente ou da mão que a toca. Da mesma forma, se diz que alguma coisa está quente, quando está cedendo calor à mão que a toca ou ao ambiente.

Geladeiras ou regiões geladas do planeta têm tanto a ver com o calor quanto fornos ou desertos:

A geladeira, por exemplo, é um aparelho de bombear calor. Você pode verificar como é quente a “grade preta” atrás dela. Trata-se do radiador que expulsa o calor tirado do interior da geladeira, ou seja, dos objetos que refrigera;

Para sobreviver no Pólo Norte, os esquimós precisam do isolamento térmico das roupas de pele de animais e precisam comer alimentos com alto teor calórico. Além disso, para entender porque os Pólos são tão frios, é preciso saber que os raios de luz e de calor vindos do sol só chegam lá muito inclinados, e mesmo assim só durante metade do ano...

Por falar em sol, quando a gente olha pro céu, numa noite de inverno, vendo aquelas estrelinhas que parecem minúsculos cristais, perdidos na noite fria, a gente pode achar difícil acreditar que cada estrelinha daquela é um quentíssimo sol, cuja luz viajou milhões de anos pra chegar até nós. Se houver planetas em torno delas, quem sabe se não haverá vida em seu sistema solar.

Será preciso ferver o motor, para que a gente
se lembre de que o automóvel é "movido a calor",
pois o que o empurra é um motor a
combustão interna?

Da mesma forma, será preciso que a gente
fique com febre, para lembrar que também
somos sistemas térmicos e que "nosso motor"
também usa combustível?

Além de todas as coisas permanecerem em constante troca de calor entre si e com seu meio, grande parte dos objetos necessita de processos térmicos para sua produção.

Não só bolos e biscoitos são produzidos em fornos, todos os metais, por exemplo, precisam de fornos para ser extraídos de seus minérios, assim como para que sejam fundidos e depois moldados ou, pelo menos, para que sejam aquecidos antes de serem laminados.

Quando nos lembramos de um combustível, qualquer derivado de petróleo ou o álcool, por exemplo, podemos imediatamente associar estas substâncias com a produção de calor, mas nos esquecemos que estas substâncias necessitaram de calor, nas destilarias, para serem produzidas!

Difícil mesmo, é achar alguma coisa que não precise de calor para ser produzida:

Uma fruta,
será que é preciso calor
para produzi-la?

No motor do automóvel, será possível produzir o
 movimento do carro,
a partir do
combustível, mantendo o motor frio?

Faça você mesmo...

Talvez você ainda não esteja convencido de que o calor esteja presente em tudo no universo. Não há de ser nada, você ainda chega lá...

Você poderia dar uma olhada à sua volta
e dizer que coisas, na sua opinião,
estão mais diretamente
relacionadas com o calor?
Qual característica ou qualidade destas
coisas as associa
a processos térmicos?

Veja as suas roupas, as que você está usando ou as que estão guardadas. De algodão, de lã ou outros tecidos, seus modelos, com ou sem manga, com ou sem gola, com ou sem forro, com ou sem botões para regular as trocas de calor.

Veja na cozinha, que coisas produzem calor, que coisas transmitem calor, que coisas extraem calor, que coisas isolam para não perder calor. Chama, panela, cabo de panela. Veja no banheiro. Veja a estrutura da própria casa ou edifício.

CONTINUA

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02

Esquentamento
Os motores e preparando a rota

Calor e temperatura são a mesma coisa?
Qual leva a qual? Qual vem primeiro?

O que é chama?

O combustível queima e "faz calor".
Mas, como é que o calor faz trabalho?

Todo calor é energia? Toda energia é calor?
E o trabalho o que é?

Ao fim da leitura anterior, foi feita uma lista de coisas relacionadas com o calor e processos térmicos. É possível agrupar estas coisas de muitas formas diferentes.

fogo, grau Celsius, secador,forno elétrico,
derretimento, geladeira, forno de microondas,
caloria, amor, resfriado, gelo, isopor, ferro quente,
cobertor, chuva, vapor, sol, chapéu, radiação,
queimadura, filtro solar,febre, lua, luz,
motor, radiador, metal, madeira, álcool, fogão,
gás, chuveiro, vulcão, água, ar, freezer, atrito, borracha, isopor, combustão,
garrafa térmica, aquecimento, gêiser, termômetro,
convecção, condução, gasolina, carvão, liquidificador,
dilatação, ventilador, evaporação,
calor, solidificação, lâmpada, bomba atômica,dissolução,
vento,condensação, compressão dos gases, ebulição, freada,
fusão, martelada, nuvem, lagos etc.

Existem coisas que produzem calor como os combustíveis, o Sol, uma resistência elétrica. São uma categoria? Como chamá-las?

Roupas podem proteger do frio, isopor impede as trocas de calor, metais facilitam certas trocas. Isolantes e condutores térmicos, trocas térmicas são outra categoria?

Gelo é frio, vapor é quente, mas é tudo água. Classificar? Quente e frio ou mudança de estado?

Entre as muitas classificações possíveis vamos propor uma que será usada como roteiro para classificar a listagem de termodinâmica.

1º Medida e controle de temperatura

Somos capazes de sentir o calor porque temos receptores na pele que detectam o aumento de energia térmica.

Para medir temperaturas construímos termômetros clínicos ou industriais que se baseiam na propriedade dos materiais dilatarem quando aquecidos.

O controle de temperatura feito pelos termostatos, que ligam e desligam circuitos, também se baseia na dilatação.

forno
termômetro
radiação
água

2º Fontes e trocas de calor

Que o Sol é uma fonte de calor ninguém duvida. E os combustíveis? Também podemos nos considerar uma fonte de calor? Como o calor do Sol chega até nós?

Sempre que algo puder ceder calor para a vizinhança, ele poderá ser considerado uma fonte de calor. Às vezes, entretanto, precisamos impedir as trocas de calor. Existem várias maneiras de fazer isso, o isopor, entre muitos outros é um material que evita a condução do calor.

sol
madeira
convecção
isopor
água

3º Transformações térmicas

Na natureza encontramos água em grande quantidade: no estado líquido, sólido, nas geleiras polares, no gás na atmosfera. O gelo, a água e o vapor d’água são estados diferentes de uma mesma substância.

Utilizando tecnologias específicas nós provocamos mudanças de estado nas substâncias sempre que necessário.

Transformações térmicas exercidas nos gases produzem variações de volume e pressão.

térmicas
motor
água
gases
panela de pressão

4) Máquinas térmicas

Identificar um motor do carro como uma máquina térmica é habitual. Mas, e uma geladeira? Ela resfria alimentos. E o organismo humano, pode ser classificado junto com um motor?

Os princípios em que se baseiam o funcionamento das máquinas térmicas são os mesmos que regem os fenômenos naturais; eles são universais.

geladeira
motor
turbina a vapor

Exercício

Marque com um X a classificação referente a cada item da lista abaixo. Observe que um item pode apresentar mais de uma característica na classificação.

Legenda: 1- Medidas de controle de temperatura / 2- Fontes e trocas de calor / 3- Transformações térmicas / 4- Máquinas térmicas 

CONTINUA

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03

Medidas de
temperatura

A nossa pele é um receptor
para a radiação térmica tal como
o olho é para a luz.

Tanto entre as coisas naturais como entre as produzidas ou construídas, o assunto é calor.
Como as coisas cedem e recebem calor?
Como avaliar o "quanto" essas coisas são quentes?

"Todas as coisas recebem e
cedem calor o tempo todo."

A nossa experiência cotidiana nos mostra que quando há um contato direto entre dois objetos o mais quente cede calor para o mais frio, há uma condução de calor.
Havendo um fluído entre eles, geralmente o ar ou a água, também ocorre a troca pelo movimento das moléculas.
A água da parte superior da panela também se aquece. Neste caso dizemos que é por convecção.

E quando não tem nada entre os objetos?
Você já pensou de que maneira a luz e o calor do Sol chegam até nós?
Como sentimos o calor do Sol?
Como nos protegemos do seu calor tão intenso?

A luz do Sol atravessa milhares de quilômetros de espaço vazio, sem atmosfera, até chegar ao nosso planeta. Este processo de propagação é chamado de radiação.
Somos capazes de sentir o calor porque temos receptores na nossa pele que são ativados quando detectam o aumento de energia térmica. Esses receptores são órgãos microscópicos localizados na camada mais interna da pele. São sensíveis ao toque, à pressão, à dor e à temperatura.
Ao receberem um estímulo, cada receptor específico produz um impulso e o envia para o cérebro. É o cérebro que nos faz sentir dor, prazer, calor etc.
Quando sentimos desconforto devido ao calor muito intenso nos abrigamos. Uma árvore, uma parede, um teto, bloqueiam a radiação solar.
Quase todos os bloqueadores da radiação térmica também não deixam passar a luz. Mas, é necessário tomar cuidado, o vidro se comporta de maneira diferente em relação à luz ou ao calor.

O vidro bloqueia a luz?
E a radiação térmica?

Os filtros solares utilizados hoje para aumentar o tempo de exposição ao Sol também são bloqueadores de radiação solar. A nossa pele, que é um sensor térmico, necessita desta proteção.
Às vezes utilizamos o tato para avaliar o quanto um objeto está quente e até mesmo o estado febril de uma pessoa. Entretanto, a nossa sensação pode nos surpreender como pode ser verificado na atividade a seguir.

Coloque uma das mãos numa vasilha com água quente e a outra numa vasilha com água fria. Se as duas mãos forem colocadas posteriormente numa terceira vasilha com água morna, esta mesma água provocará uma sensação diferente em cada mão.
A água morna parecerá fria para a mão que estava quente e quente para a mão que estava fria.

Se os nossos sentidos "mentem", o que poderia ser usado para se quantificar o "quente" ou o "frio"? Como determinar a temperatura de um objeto?

Existem propriedades dos materiais que podem ser usadas para estabelecer e medir temperaturas, como a cor da luz emitida pelo filamento aquecido de uma lâmpada ou a dilatação do mercúrio dentro de um tubo de vidro.

Um efeito do aquecimento: dilatação

O piso das calçadas, os trilhos de linhas de trem, as vigas de concreto de construções como pontes e edifícios, como tudo mais se dilatam. Sendo estruturas grandes e expostas ao Sol, devem ter vãos para acomodar dilatações prevendo este efeito do aquecimento e evitando que provoque rachaduras. Nas calçadas, por exemplo, estas "folgas" costumam ser preenchidas por grama ou tiras de madeira, em pontes são simplesmente fendas livres e em edifícios são fendas livres ou preenchidas por fitas de borracha.
Todos os objetos sólidos, líquidos ou gasosos, quando aquecidos se dilatam, ou seja, aumentam de volume. Esta propriedade dos materiais pode ser usada para medir temperaturas.
Os termômetros que usamos para verificar febre são construídos com um fino tubo de vidro ligado a um pequeno bulbo lacrado cheio de mercúrio ou de álcool. Quando esfriado, o líquido se contrai e seu nível desce no capilar; quando é aquecido, ocorre o contrário.
Tanto o mercúrio como o álcool são líquidos que, mais do que a água, mesmo para um pequeno aquecimento, se dilatam visivelmente mais que o vidro. Por isso, são escolhidos para a construção de termômetros Se fosse com água precisaríamos de um grande volume Imagine a inconveniência de se usar um termômetro desses para medir febre!
A escala graduada no vidro dos termômetros clínicos mede temperaturas que vão de 35ºC a 41ºC aproximadamente

Mas, como esses valores são atribuídos à escala?

A escala Celsius

Para se conseguir que termômetros diferentes marquem a mesma temperatura nas mesmas condições, é necessário se estabelecer um padrão comum para eles, uma escala termométrica. Na escala Celsius são escolhidas duas referências: uma é a temperatura de fusão do gelo e a outra é a da ebulição da água.
Essas temperaturas são tomadas como referência pois, durante as mudanças de estado de qualquer substância a temperatura permanece constante.
Na escala Celsius, o zero é atribuído para a temperatura do gelo fundente e o cem para a temperatura da água em ebulição. Para completar a definição dessa escala termométrica, é só graduar o intervalo entre 0 e 100 em cem partes iguais, cada divisão correspondendo a 1ºC. É por isso que a escala Celsius é uma escala centígrada. Com os termômetros clínicos avaliamos temperaturas com precisão de até décimos de grau. Em média, as pessoas têm sua temperatura normal de aproximadamente 36ºC, enquanto que a 38ºC já está certamente febril.

A escala Fahrenheit

Outra escala que ainda é usada em países de língua inglesa é a escala Fahrenheit em que o zero (0ºF) foi escolhido para a temperatura de um certo dia muito frio na Islândia e o cem (100ºF) para a temperatura média corporal de uma pessoa. Nessa escala, a temperatura de fusão do gelo corresponde, a 32ºF e a temperatura de ebulição da água a 212ºF. O intervalo é dividido em 180 partes cada uma correspondendo a 1ºF.
Veja no esquema a seguir, a correspondência entre as duas escalas.

CONTINUA

Como vemos, a pessoa cuja temperatura foi tomada como referência estava um pouco febril, naquele dia. 

3.2 A temperatura de 0ºF foi tomada como referência em um dia muito frio. Determine essa temperatura em graus Celsius. 

3.3 Você mesmo pode elaborar uma escala termométrica. Para isso, basta escolher um número para a temperatura de fusão do gelo e outro para a temperatura de ebulição da água. Em seguida, você pode relacionar a sua escala com a escala Celsius do mesmo modo que já realizamos. 

3.4 Você encontra para comprar dois termômetros, ao mesmo custo, que contêm a mesma quantidade de mercúrio: um com um tubo longo e fino e o outro, um tubo curto e de diâmetro maior. Qual deles você preferiria? Explique porque. 

3.5 A esterilização de instrumentos cirúrgicos que antes era feita em banho de vapor hoje é feita em estufas apropriadas. Por que não é possível esterilizar um termômetro clínico da mesma maneira? Que método você proporia para fazê-lo?

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CONTINUA®

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