física:termodinâmica 2, Notas de estudo de Física

Baixe física:termodinâmica 2 e outras Notas de estudo em PDF para Física, somente na Docsity! GREF Física Térmica. vers ão p relim inar para ler, fazer e pensar leituras de física 06. Sol: a fonte da vida. 07. O Sol e os combustíveis. 08. Calor e conforto. 09. Transportando o calor. 10. Cercando o calor. 11. Aquecimento e clima. 12. Aquecimento e técnica. 13. Calculando a energia térmica. 2 Leituras de Física é uma publicação do GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física Instituto de Física da USP EQUIPE DE ELABORAÇÃO DAS LEITURAS DE FÍSICA Anna Cecília Copelli Carlos Toscano Dorival Rodrigues Teixeira Isilda Sampaio Silva Jairo Alves Pereira João Martins Luís Carlos de Menezes (coordenador) Luís Paulo de Carvalho Piassi Suely Baldin Pelaes Wilton da Silva Dias Yassuko Hosoume (coordenadora) ILUSTRAÇÕES: Fernando Chuí de Menezes Mário Kano GREF - Instituto de Física da USP rua do Matão, travessa R, 187 Edifício Principal, Ala 2, sala 305 05508-900 São Paulo - SP fone: (011) 818-7011 fax:(011) 818-7057 financiamento e apoio: Convênio USP/MEC-FNDE Sub-programa de educação para as Ciências (CAPES-MEC) FAPESP / MEC - Programa Pró-Ciência Secretaria da Educação do Estado de São Paulo - CENP A reprodução deste material é permitida, desde que observadas as seguintes condições: 1. Esta página deve estar presente em todas as cópias impressas ou eletrônicas. 2. Nenhuma alteração, exclusão ou acréscimo de qualquer espécie podem ser efetuados no material. 3. As cópias impressas ou eletrônicas não podem ser utilizadas com fins comerciais de qualquer espécie. junho de 1998 2 3 Felizmente não precisamos fazer esta atividade sempre que quisermos saber o poder energético de um alimento. Encontramos tabelas que nos fornecem estas informações. Na tabela 6.1 por exemplo, estão especificados os teores de energia expressos em quilocalorias (Kcal) por 100g de alimento. 1kcal = 1000cal A energia dos alimentos representava para o homem primitivo a quase totalidade do seu consumo energético pois ele além de consumir os alimentos só usava a energia do fogo. Situação muito diferente acontece no mundo moderno.Só 5% do que o cidadão urbano consome atualmente corresponde à energia dos alimentos para sua subsistência. A maior parte provém dos combustíveis dos veículos, da energia elétrica para iluminar, tomar banho, aquecer e resfriar e da energia para a produção dos bens que ele utiliza. 1 caloria é definida como a quantidade de calor necessária para elevar de 1ºC a temperatura de 1grama de água no estado líquido. Alimentos Porções (100g) Energia (kcal) leite de vaca cru meio copo 63 queijo branco fresco uma fatia 243 pão duas unidades 269 ovo duas unidades 163 carne de vaga (magra) um bife 146 peixe de mar frito dois filés 371 arroz cozido 3 colheres (sopa) 167 feijão cozido 5 colheres (sopa) 67 mamão uma fatia 32 coca-cola meio copo 39 batata frita 2 unidades 274 Tabela 6.1: Energia fornecida pelos alimentos. Fontes e trocas de calor. Devido ao nosso próprio metabolismo, absorvemos quantidades variadas de energia ingerindo os mesmos alimentos que outras pessoas. A perda de energia ao realizar as mesmas atividades também é uma característica pessoal, dependendo do tamanho corporal e da eficiência dos movimentos. Consumimos em média cerca de 3500 kcal de alimentos diariamente. O conhecimento da quantidade de energia liberada pelos alimentos no organismo é de interesse de médicos e nutricionistas, uma vez que a alimentação com excesso ou deficiência de calorias pode levar à obesidade, à doenças vasculares ou à subnutrição. EXPERIMENTE CALCULAR A QUANTIDADE DE ENERGIA FORNECIDA PELOS ALIMENTOS QUE VOCÊ INGERIU HOJE. As tabelas de dieta fornecem o valor de energia do alimento em grande caloria (Cal) em lugar de quilocaloria (Kcal). Neste caso, 1 Cal (caloria médica) corresponde à 1Kcal em Física. É possível se fazer um balanço entre a energia fornecida pelos alimentos e a energia consumida por uma pessoa durante um determinado tempo em suas atividades diárias. 2 4 O Ciclo do Carbono. Na grande quantidade de transformações que ocorrem na Terra a fotossíntese, a respiração e a decomposição além de promoverem uma circulação da energia proveniente do Sol também são responsáveis pela circulação de um importante elemento químico, o carbono. O gás carbônico dissolve-se nas águas oceânicas entrando em contato com os íons de cálcio que vão sendo depositado lenta e continuamente no fundo dos oceanos. Ao longo de milhões de anos esses materiais originam rochas como o calcário ou o mármore. Os esqueletos e carapaças dos seres marinhos como lagostas, caranguejos, corais, mariscos, etc., são constituídos de carbonato de cálcio, a mesma substância que constitue o mármore. Esses animais retiram o gás carbônico e os íons cálcio diretamente da água do mar e quando morrem, também vão contribuir para a formação de carbonato que poderão formar rochas. A atmosfera, os vegetais, os animais e os oceanos são verdadeiros reservatórios de carbono do nosso planeta e os átomos de carbono migram de um reservatório para outro, através dos processos intimamente relacionados como a fotossíntese, a respiração e decomposição, constituindo o ciclo do carbono. Veja a figura apresentada a seguir: Tabela 6.2 dormir 78 kcal/h ficar sentado 108 kcal/h assistir à aula ou estudar 180 kcal/h trabalhar 180 kcal/h ficar em pé 120 kcal/h andar 228 kcal/h Confira se você se alimenta bem do ponto de vista energético fazendo um balanço. Verifique quanta energia você gasta durante um dia inteiro. Quanta energia você consome no mesmo tempo? Você queima todas as calorias ingeridas? Certas dietas alimentares fixam em 1500 Calorias ( ou seja, 1500 Kcal de energia) o consumo energético diário visando uma gradual perda de peso de pessoas com alguns quilos a mais. Consulte a tabela 6.1 e proponha um cardápio energeticamente balanceado de um dia para essa dieta. Balanço energético. Diariamente ingerimos alimentos cuja energia é utilizada na realização de nossas atividades. Veja na tabela, ao lado, a taxa de utilização de energia medida em quilocalorias por hora em algumas atividades. Fontes e trocas de calor. Gref 2 5 07 O Sol e os combustíveis A lenha. O carvão mineral. O petróleo. O álcool de cana. De onde vem essa energia? Animais e plantas soterrados ao longo de bilhões de anos se transformaram em combustíveis fósseis. Na queima da lenha, do petróleo, do álcool de madeira ou de cana, transformamos energia química em térmica e em energia de movimento. 2 8 Só produzimos calor através da queima? Existem outras situações em que ocorrem transformações de energia térmica e o aquecimento também se encontra presente. As freadas, o esfregar das mãos, a compressão do ar pelas bombas de bicicleta e as marteladas, que envolvem processos tais como atrito, compressão dos gases e choques mecânicos, são algumas destas situações. Nestes casos, ocorre um aquecimento localizado que constitui uma fonte de calor em relação à sua vizinhança. O Sol e os combustíveis. Por outro lado, temos a sensação de frio, quando saimos de uma piscina. Isto acontece porque as gotículas de água em contato com o nosso corpo, retiram calor dele, para se evaporarem. Podemos perceber a liberação de calor numa situação em que umidecemos um pano com álcool e depois o colocamos na água. A dissolução do álcool na água se constitui numa fonte de calor que vai aquecer a vizinhança, no caso a nossa mão. ALÉM DESTES É POSSÍVEL TERMOS OUTROS PROCESSOS NOS QUAIS OCORRE AQUECIMENTO E ALGUMA "COISA" FUNCIONA COMO FONTE DE CALOR? Um outro modo de produzir calor é através da corrente elétrica circulando em alguns tipos de fios que se aquecem tanto que chegam a emitir luz, como é o caso do tungstênio do filamento das lâmpadas ou do níquel-cromo dos aquecedores de ambiente, fornos ou ferros elétricos. O conhecimento dos valores de energia fornecidos por cada combustível é importante para o dimensionamento dos queimadores e, em geral, para o planejamento, construção e uso dos fogões e outros aquecedores. 7.1- Consultando a tabela 7.1 responda: a) Indique o combustível que libera maior quantidade de calor por unidade de massa. b) Compare as quantidades de calor liberadas pela mesma massa de TNT e gasolina. c) Qual a relação entre as massas de gasolina e de álcool para a liberação da mesma quantidade de calor? d) Pesquise o preço de um quilograma de álcool e de um quilograma de gasolina. Estabeleça a razão entre custo e energia liberada para cada um deles. Essas razões são iguais? 7.2- É comum percebermos que a água de uma moringa é mais fresca do que a de uma garrafa de vidro. Explique por que existe essa diferença. 7-3- Pode-se cortar um arame exercendo nele movimentos de "vai e vem" repetidas vezes. Explique essa operação através da transformação de energia. 7.4- Quando alguns veículos descem uma serra longa e íngreme é comum sentirmos "cheiro de queimado" . Você é capaz de explicar este fato? O que acontece nesta situação? Exercícios. 2 9 08 Calor e conforto. O calor do Sol chegando até nós. Como o calor se propaga nas situações cotidianas? As trocas de calor que ocorrem numa cozinha. De toda energia do Sol que chega a Terra, 30% é refletida nas camadas superiores da atmosfera. Os 70% restante são absorvidos pelo ar, água, solo, vegetação e animais. Essa energia, que garante a existência de vida na Terra, é trocada entre todos os elementos e retorna para o espaço como radiação térmica. O homem utiliza a tecnologia para trocar calor com o meio ambiente de uma maneira confortável. 3 0 08 Calor e conforto O CALOR FLUI ESPONTANEAMENTE DE UMA FONTE QUENTE PARA UMA FONTE FRIA. O CALOR SE PROPAGA NO AR, NA ÁGUA, NO SOLO E NOS OBJETOS ATRAVÉS DE UM MEIO MATERIAL. Parte desta energia (30%) é refletida nas altas camadas da atmosfera voltando para o espaço. Cerca de 46,62% dessa energia aquece e evapora a água dos oceanos e rios; 16,31% aquece o solo; 7% aquece o ar e 0,07% é usada pelas plantas terrestres e marinhas na fotossíntese. Toda energia absorvida na Terra acaba sendo emitida para o espaço como radiação térmica. A luz e o calor do Sol quando chegam até nós já percorreram 149 milhões de quilômetros atravessando o espaço vazio, o vácuo, pois a camada atmosférica que envolve a Terra só alcança cerca de 600 Km. Esse processo de propagação de calor que não necessita de um meio material é a irradiação. O Sol irradia energia em todas as direçãoes. De toda energia liberada pelo Sol, só 1,4 bilionésimos chega até a Terra. Um objeto pode ser aquecido por mais de um processo ao mesmo tempo. Numa cozinha você encontra várias fontes de calor e situações de trocas interessantes. Faça a próxima atividade. O ar em contato com o solo aquecido atinge temperaturas mais altas do que o das camadas mais distantes da superfície. Ao se aquecer ele se dilata ocupando um volume maior e tornando-se menos denso, sobe. Em contato com o ar mais frio, perde calor, se contrai, e desce. O deslocamento do ar quente em ascenção e de descida do ar frio, as chamadas correntes de convecção, constituem um outro processo de propagação de calor, a convecção. Esse processo ocorre no aquecimento de líquidos e gases. Nos sólidos o calor é conduzido através do material. É devido à condução de calor através do metal que o cabo de uma colher esquenta quando mexemos um alimento ao fogo. 3 3 09 Transportando o calor. Utensílios. Materiais de Construções. Roupas. Isolantes ou Condutores? Um cobertor de lã é "quente" ? Ele produz calor ? Por quê os cabos de panelas normalmente não são feitos de metal? Por quê sentimos um piso de ladrilho mais frio do que um de madeira, apesar de ambos estarem à temperatura ambiente? 3 4 09 Transportando o calor: de isolantes a condutores. Tabela 9.1 Encontrar o material adequado para um uso específico, pode ser uma tarefa simples como escolher um piso frio para uma casa de praia, ou tão complexa como definir a matéria prima das peças de motores de carros. É importante na escolha de materiais levarmos em conta o seu comportamento em relação a condução térmica. Para compararmos esses materiais segundo essa característica, definimos uma propriedade: o coeficiente de condutividade que indica quantas calorias de energia térmica são transferidas por segundo, através de 1 cm do material, quando a diferença de temperatura entre as extremidades é de 1oC. A tabela 9.1 nos permite comparar a condutividade de alguns materiais sólidos. Traz também o coeficiente de um líquido (a água) e de um gás (o ar) com os quais trocamos calor constantemente. Sendo o coeficiente de condutividade do ar muito baixo, como mostra a tabela, podemos afirmar que o calor quase não se propaga através do ar por condução. Quando Os cabos de panelas são de madeira ou de material plástico (baquelite) porque quando a panela está quente, eles sempre se encontram à uma temperatura bem menor, o que nos permite retirar a panela do fogo segurando-a pelo cabo. Ao tocarmos um piso de madeira, temos a sensação de que este é mais quente que o piso de ladrilho.O pé e o ladrilho trocam calor muito mais rapidamente do que o pé e a madeira. A madeira é um mau condutor de calor. Os maus condutores de calor são chamados de isolantes térmicos. sentimos calor ao colocarmos a mão abaixo de uma panela quente, a propagação não poderia ter ocorrido por convecção pois o ar quente sobe, nem por condução pois ela é muito pequena, tendo sido portanto irradiado. A tabela 9.1 nos mostra também que os metais e as ligas metálicas são bons condutores de calor. Ser um bom condutor de calor, entre outras propriedades faz com que o aço, o ferro e o alumínio sejam a matéria prima das peças de motores de carros. Nesses motores a combustão, o calor interno devido a explosão do combustível é muito intensa e deve ser rapidamente transferido para o meio ambiente, evitando que as peças se dilatem e até mesmo se fundam. MAS, AFINAL COMO É QUE ACONTECE A CONDUÇÃO DE CALOR NOS DIVERSOS MATERIAIS? EXISTE UMA DIFERENÇA ENTRE A CONSTITUIÇÃO DO ALUMÍNIO À TEMPERATURA AMBIENTE OU DO ALUMÍNIO AQUECIDO? Não podemos ver como as substâncias são constituídas, nem mesmo com microscópios potentes, mas podemos imaginar como elas são fazendo um "modelo" baseado em resultados experimentais. Como são constituídos os materiais? Um modelo proposto pela comunidade científica, é o que supõe que todas as substâncias são formadas por pequenas porções iguais chamadas moléculas. As moléculas diferem umas das outras pois podem ser constituídas por um ou mais átomos iguais ou diferentes entre sí. 3 5 Os átomos do alumínio como as molécualas dos outros sólidos nesse modelo estão organizados formando uma estrutura regular chamada de rede cristalina. Neste modelo de matéria imaginamos que as moléculas não ficam paradas e sim que elas oscilam. Essa oscilação é mais ou menos intensa dependendo da temperatura do material. Os átomos do alumínio de uma panela aquecida vibram mais do que se estivessem à temperatura ambiente. Os átomos que estão em contato com a chama do fogão adquirem energia cinética extra e vibrando mais intensamente, interagem com os átomos vizinhos que, sucessivamente interagem com outros, propagando o calor por toda extensão da panela. É dessa forma que o nosso modelo explica a propagação do calor por condução. Cada substância é formada por um tipo de molécula diferente que a caracteriza. No caso do alumínio que está no estado sólido, os átomos estão próximos uns dos outros e interagem entre sí. Esses átomos não mudam de posição facilmente e por isso os sólidos mantêm a forma e o volume. Em materiais onde as moléculas interagem menos umas com as outras a condução do calor é menos eficiente. É o caso do amianto, da fibra de vidro, da madeira. Veja que isso está de acordo com os valores dos coeficientes de condutividade da tabela 9.1. Assim como os sólidos, os líquidos e os gases também são formados por moléculas; porém, essas moléculas não formam redes cristalinas. Isto faz com que a propagação do calor nos líquidos e nos gases quase não ocorra por condução. Num líquido, as moléculas se movimentam mais livremente, restritas a um volume definido e a sua forma varia com a do recipiente que o contém. Nesse caso, o calor se propaga, predominantemente, através do movimento de moléculas que sobem quando aquecidas e descem quando resfriadas, no processo de convecção. Nos gases, as moléculas se movimentam ainda mais livremente que nos líquidos, ocupando todo o espaço disponível; não tem forma nem volume definidos. A convecção também é o processo pelo qual o calor se propaga, predominantemente, nos gases. Escolhendo os materiais. Em lugares onde o inverno é rigoroso, as paredes são recheadas de material isolante e os encanamentos de água são revestidos de amianto para evitar perdas de calor por condução e convecção. Dependendo das condições climáticas de um lugar, somos levados a escolher um tipo de roupa, de moradia e até da alimentação. Roupa "quente" ou "fria"? Mas, é a roupa que é quente? Uma roupa pode ser fria? O frio que sentimos no inverno é devido às perdas de calor do nosso corpo para o meio ambiente que está a uma temperatura inferior. A roupa de lã não produz calor, mas isola termicamente o nosso corpo, pois mantém entre suas fibras uma camada de ar. A lã que tem baixo coeficiente de condutividade térmica diminui o processo de troca de calor entre nós e o ambiente. Esse processo deve ser facilitado no verão como o uso de roupas leves em ambiente refrigerados. Nos sólidos a irradiação do calor ocorre simultaneamente à condução. Nos líquidos e nos gases a condução e irradiação de calor também ocorrem simultaneamente à convecção. Fontes e trocas de calor. 3 8 A estufa. Quando um carro fica exposto ao Sol o seu interior se aquece muito principalmente porque os vidros deixam entrar a luz que é absorvida pelos objetos internos e por isso sofrem uma elevação de temperatura. Costumamos dizer que o carro se transformou numa estufa. De fato, as estufas utilizadas no cultivo de algumas plantas que necessitam de um ambiente aquecido para se desenvolverem sào cobertas de vidro. Mas, porque o lado de dentro fica mais quente que o lado de fora? O calor do Sol chega até nós na forma de luz visível, por irradiação. Para explicar a irradiação, seja a do Sol, de um forno ou de qualquer objeto aquecido, temos que pensar na luz como uma onda eletromagnética, semelhante às ondas de rádio ou às de raio X. Novamente estamos recorrendo a um modelo para explicar um fenômeno. Essas ondas não necessitam de um meio material para serem transportadas. Nesse processo de propagação de calor, somente a energia é transmitida. A luz do Sol, interpretada como uma onda eletromagnética atravessa o vidro do carro ou da estufa e incide nos objetos internos. Eles absorvem essa radiação e emitem radiação infra-vermelha (calor) que fica retida no interior do carro, impedida de sair por que o vidro é "opaco" a ela, tendo um efeito cumulativo. Além disso, a troca de calor com o ambiente externo por condução é dificultada porque o ar de fora também está quente e o vidro é um mau condutor de calor. Absorção da luz. Qualquer objeto que receba a luz do Sol absorve energia , se aquece e emite calor. A interação da luz com a matéria só ocorre nos pontos onde a luz incidiu. Isto pode ser observado no desbotamento dos tecidos e papéis expostos ao Sol, que só ocorrem em alguns pontos. 10 Cercando o calor. NA IRRADIAÇÃO SOMENTE A ENERGIA É TRANSMITIDA. AS ONDAS ELETROMAGNÉTICAS NÃO NECESSITAM DE UM MEIO MATERIAL PARA SEREM TRANSPORTADAS. NAS INTERAÇÕES C OM OS MATERIAIS A LUZ SE COMPORTA COMO PARTÍCULA. Esse efeito localizado só é explicado se interpretarmos que a luz nessa interação com a matéria se comporta como partícula. Esse modelo, o modelo quântico, considera a energia luminosa como grãos de energia, os fotons. Os objetos absorvem fotons de energia da luz incidente e depois emitem fotons de energia mais baixa. Estes dois aspectos da luz: se comportar como onda ou como partícula na interações com a matéria são conhecidos como a "dualidade onda-partícula". Este modelo será estudado com mais detalhes no curso de Óptica e Eletromagnetismo. Veja agora como "aprisionamos" calor impedindo a absorção ou emissão de radiação e outras trocas de calor num utensílio de uso diário em nossas casas. A garrafa térmica. Inventada no final do século passado pelo cientista Dewar, essa vasilha impede a propagação do calor por condução, por convecção ou por irradiação. É constituida de paredes duplas entre as quais se retirou quase todo o ar, evitando assim que o calor se perca por convecção ou por condução. Para evitar as perdas de calor por radiação, as paredes são prateadas: a interna, na parte em contato com o líquido para refletir as ondas de calor do interior impedindo-as de sair e a externa, na parte de fora para refletir as ondas de calor que vem do meio ambiente impedindo-as de entrar. COMO A GARRAFA TÉRMICA MANTÉM LÍQUIDOS A TEMPERATURAS INFERIORES A DO AMBIENTE ? 3 9 Fontes e trocas de calor. Um aparelho construído para "cercar" o calor com a função de aquecer a água é o coletor solar. Depois das leituras sobre a propagação do calor e com algumas investigações você pode fazer a próxima atividade. O sistema de captação de energia solar foi idealizado no século XVIII pelo cientista suiço Nicolas de Saussure. Utilizado hoje em residências e indústrias este aparelho capta a energia solar e impede as perdas de calor por irradiação e condução, para o ambiente, com a finalidade de aquecer a água. O Sol, fonte de energia gratuita, disponível algumas horas por dia, ao substituir os combustíveis comuns, preserva as reservas de energia fóssil e não polui. Você pode construir um aquecedor simples levando e conta o que aprendeu e com alguma pesquisa. Atividade: Construção de um coletor solar. 1- Escolha um tubo através do qual deve circular a água e que será exposto ao Sol. Da escolha de um tubo de borracha, PVC ou metal, dependerá a eficiência do seu coletor. Consulte a tabela de condutividade. 2- Você acha que é necessário que o tubo forme uma serpentina como o do esquema apresentado? Por que? 3- Esse tubo deve ser pintado? De que cor? Investigue a influência da cor dos objetos na absorção da energia térmica medindo a temperatura de objetos brancos (de mesmo material), pretos e de outras cores que tenham ficado expostos ao Sol durante o mesmo tempo. A partir da sua investigação qual cor de tinta é a mais indicada. Por quê? 4- Os coletores solares industrializados são cobertos por uma chapa de vidro. Verifique como a colocação desse dispositivo melhora a eficácia de seu aparelho.Lembre-se da estufa! 5- Encontre soluções para evitar as perdas de calor do seu aquecedor para o exterior. Consulte a tabela 9-1. 6- O posicionamento da entrada de água fria pela extremidade inferior do tubo e da saída de água quente pela extremidade superior do aquecedor esquematizado deve ser mantida? Por quê? 7- Meça a temperatura atinjida pela água no seu coletor solar. Compare a eficiências do seu aparelho com a dos seus colegas e com a dos aparelhos industrializados. 4 0 Cercando o calor. ... "Eu queria um mastro anodizado em preto. O que significou um considerável transtorno. A anodização foi feita na Holanda, o transporte uma complicação, e os palpites contrários um inferno. "Por que preto?" "Para que anodizações e complicações?" Por uma razão simples que não tinha certeza se iria funcionar. Mas não custava tentar. Durante a grande e única tempestade a bordo do Rapa Nui, ví seus mastros se cobrirem de gelo. A grande quantidade de gelo travou as velas no lugar, impedindo que fossem erguidas ou baixadas e pior, acumulando peso. Um perigo para a estabilidade de um veleiro. Pensei então, que, se o mastro fosse de uma cor não refletora, ele absorveria calor - da luz - suficiente para não permitir o acúmulo de gelo, ou o conhecido fenômeno Icing. "Um mastro solar", eu brincava. Todo preto. Uma idéia cuja utilidade seria comprovada uma única vez, mas à qual eu seria eternamente grato.".... (pág.84) ... (pág.178) "Se o tempo não piorasse não haveria que sair de novo, abaixar a vela grande e subir o pequeno triângulo de mau tempo. Vestido com botas, luvas, trajes completos de manobra, cinto de segurança, eu controlava ao mesmo tempo o indicador de vento e as velas. Ãs 22:00 GMT, o ponteirinho do anemômetro passou dos cinquenta e cinco nós. "Vamos lá, não dá pra esperar. Reduzir mais." Uma camada de gelo formara-se sobre o mastro e o trilho no qual ficava presa a vela! Minha nossa! Nenhuma força no mundo faria descer a vela num mastro congelado. Agarrado nos primeiros degraus subi uns dois metros, apoiado na vela, e então descobri o quanto foi importante insistir na cor preta do mastro. Ao tocar no gelo, ele desprendeu-se como um picolé saindo da fôrma. Subi até a primeira cruzeta e em segundos não havia mais gelo sobre a superfície escura do mastro. Todas as outras ferragens, que não eram pretas, estavam cobertas. Desci a vela, amarreia-a como pude e, no lugar, subi o triângulo de mau tempo. Em menos de cinco minutos, estava de volta ao conforto da torre."... (pág.178) O Efeito Estufa. A Terra recebe diariamente a energia solar que é absorvida pelo planeta e emitida na forma de radiação infravermelha para o espaço. Uma parcela desse calor volta para nós retido pela atmosfera. O vapor d'água e o gás carbônico e o CFC (cloro, fluor, carbono) presentes na atmosfera, deixam passar luz solar, mas absorvem a radiação infravermelha emitida pela Terra devolvendo-a para a superfície o que constitui o efeito estufa. O oxigênio e o nitrogênio transparentes tanto a luz solar como ao infravermelho, não colaboram para o efeito estufa. É devido ao efeito estufa que o nosso planeta se mantém aquecido durante a noite. Sem esse aquecimento a Terra seria um planeta gelado, com poucas chances de propiciar o surgimento da vida. Há milhares de anos, a temperatura média da Terra é de 150C, isto porque toda energia que chega do Sol é emitida como radiação infravermelha para o espaço. Porém, no último século a temperatura média da Terra aumentou cerca de 0,50C. Alguns pesquisadores atribuem esse aumento ao efeito estufa causado por um acréscimo da concentração de gás carbônico (CO 2 ) na atmosfera, devido a combustão de carvão, usado na geração de energia elétrica e do petróleo nos meios de transporte. Se a concentração de CO 2 , na atmosfera aumentar muito, quase toda radiação infra vermelha voltará para o Planeta que se aquecerá cada vez mais. É um aquecimento de grandes proporções que tememos. Ele poderia transformar terras férteis em solos áridos e provocar o derretimento das geleiras dos polos inundando as regiões litorâneas. Não é a toa que o efeito estufa é para nós sinônimo de ameaça. Por que Preto? Em seu livro Paratii, Amyr Klink, narra a sua decisão de importar um mastro para seu barco "Paratii" , que navegaria até a Antártida. O mastro deveria ser anodizado, esto é, ter a superfície do alumínio coberta por uma cor, sem ser pintada. Amyr conta também como essa decisão foi para ele de vital importância. 4 3 calor é muito menor que a de água, e acaba também sendo responsável pela maior elevação de temperatura da terra. Um outro fator que contribui da mesma forma para essa diferença de aquecimento é o fato que a parte da radiação recebida pela água é utilizada para vaporizá-la e não para aumentar sua temperatura. Como a terra fica mais aquecida durante o dia, o ar, nas suas proximidades também se aquece e se torna menos denso, formando correntes de ar ascendentes. Acima da superfície da areia "cria-se" então uma região de baixa pressão, isto é menos moléculas de ar concentradas num certo espaço. À noite, os mesmos fatores (diferentes aquecimentos, massa resfriada e quantidade de calor liberada pela condensação da água), fazem com que a água tenha uma menor reduçào de temperatura do que a terra, faz com que o ar próximo do mar suba e a brisa sopre, agora, da terra para o mar. Esse ar mais frio movimenta-se horizontalmente do mar para a terra, isto é, da região de alta pressão para a de baixa pressão. Essa movimentação se constitui numa brisa que sopra do mar para a terra e que ocorre graças à convecção do ar. O ar próximo à superfície da água, mais frio e por isso mais denso, forma uma região de alta pressão. Além das brisas marítimas temos ventos diários que sopram dos polos para o equador. Esses ventos se formam porque o ar próximo às superfícies aquecidas da região equatorial se tornam menos densos e sobem criando uma região de baixa pressão. Ocorre então uma movimentação horizontal de ar frio da região de alta pressão (Polos da Terra), para a região de baixa pressão (Equador da Terra). Existem também ventos periódicos anuais. Devido à inclinação do eixo da Terra, em cada época do ano, um hemisfério recebe maior quantidade de calor que o outro, o que provoca a formação de ventos que estão associados às 4 estações do ano. Os ventos se formam devido ao aquecimento diferenciado do solo, água, concreto, vegetação e da presença de maior ou menor quantidade desses elementos. A altitude de uma região bem como a sua localização no globo (latitude e longitude), definem a quantidade de radiação solar recebida e caracterizam o seu clima em cada época. Outros ventos periódicos. Fontes e trocas de calor. 4 4 Aquecimento e clima. O fenômeno El Ninõ. Existe também uma teoria que afirma ser o calor liberado pelo magma vulcânico do fundo do Oceano Pacífico o responsável por esse aquecimento que se constitui no maior fenômeno climático da Terra. Pesquisadores mantém no Oceano Pacífico boias que registram diariamente a temperatura da água para controle. Esses dados mostram que nos últimos doze anos aconteceram quatro aquecimentos. Anteriormente a esse controle, pensava-se que o El Ninõ ocorria a cada sete anos. Para alguns cientistas, o Homem é o vilão, que ao poluir o ar, interfere no seu ciclo, sendo responsável pelo fenômeno El Ninõ. Até cerca de 30 anos, o "El Ninõ" era um fenômeno conhecido apenas por pescadores peruanos. Os cardumes de anchovas sumiam das águas onde eram pescados, o que acontecia com periodicidade de alguns anos, geralmente na época do Natal, daí o seu nome El Ninõ (O Menino Jesus). El Ninõ é visto até hoje pelos cientistas como um fenômeno climático que ocorre periodicamente e altera o regime de ventos e chuvas do mundo todo. Consiste no aquecimento anormal da superfície das águas do Oceano Pacífico na região equatorial, que se extende desde a costa australiana até o litoral do Perú. Hoje, acredita-se que os ventos tropicais que sopram normalmente da América do Sul em direção à Ásia, através do Pacífico, ao diminuirem de intensidade, provocam esse aquecimento anormal. As causas do enfraquecimento dos ventos tropicais ainda não são conhecidas. Normalmente os ventos tropicais são fortes e provocam ondas no mar que trazem para a superfície as águas mais frias do fundo , juntamente com os nutrientes que atraem os peixes.Essa mistura de águas mantém a temperatura da região equatorial do Oceano Pacífico em torno de 240C. Com a diminuição da intensidade dos ventos tropicais, que acontece periodicamente, não há formação de ondas. A água fria não se mistura com a da superfície, que se aquece cada vez mais, chegando a atingir 290C, por uma extensão de 5000km. Devido à evaporação dessa grande massa de água, as chuvas caem sobre o oceano ao invés de chegar até o sudeste da Ásia, provocando tempestades marítimas e desregulando as chuvas de toda região tropical. Como consequência temos chuvas intensas no sudeste dos Estados Unidos, no sul do Brasil e na região costeira do Perú. O El Ninõ é responsável também pelas secas mais intensas no nordeste brasileiro, centro da África, Filipinas e norte da Austrália. 4 5 12 Aquecimento e Técnica. Carro refrigerado a ar ou a água? Calores específicos tão diferentes como o do ar e da água determinam sistemas de refrigeração que utilizam técnicas bastante diferentes. 4 8 Técnicas de aquecimento: fornos domésticos. Aquecimento e Técnica. 4 9 13 Calculando a energia térmica. Como varia a temperatura de um objeto que recebe calor? Para controlar o aquecimento e resfriar objetos, máquinas ou ambientes, levamos em conta o calor específico. Do que mais depende o aquecimento e resfriamento? A energia térmica necessária para variaar a temperatura de sólidos, de líquidos..., pode ser calculada. 5 0 13 Calculando a energia térmica. - Q é a quantidade de calor fornecida ou cedida medida em calorias (cal) - m é a massa da substância medida e quilograma (kg) - ∆t é a variação de temperatura medida em grau Celsius (oC) - c é o calor específico da substância medido em cal g Co Se não houver perdas para o exterior (ou se ela for desprezível) consideramos o sistema isolado. Neste caso, a quantidade de calor cedida por um dos objetos é igual a recebida pelo outro. Matematicamente podemos expressar a relação entre a quantidades de calor como: Os motores de combustão dos carros necessitam de um sistema de refrigeração. Para que a refrigeração a ar ou a água tenham a mesma eficácia, as duas substâncias tem que retirar a mesma quantidade de calor do motor. Exercícios: 13.1- Compare as quantidades de ar e de água necessárias para provocar a mesma refrigeração num motor refrigerado a ar ou a água. Resolução: Supondo que a variação de temperatura da água e do ar sejam as mesmas, como : Ou seja, as capacidades térmicas do ar e da água são iguais. mc C = A capacidade térmica. O calor específico de uma substância nos informa quantas calorias de energia necessitamos para elevar de 1oC a temperatura de 1 grama dessa substância. Portanto, para quantificar a energia térmica consumida ao se aquecer ou resfriar um objeto, além do seu calor específico temos que levar em conta a sua massa. Consumimos maior quantidade de calor para levar à fervura a água destinada ao preparo do macarrão para 10 convidados do que para 2 pessoas. Se para a mesma chama do fogão gastamos mais tempo para ferver uma massa de água maior, significa que precisamos fornecer maior quantidade de calor para ferver essa quantidade de água. Também para resfriar muitos refrigerantes precisamos de mais gelo do que para poucas garrafas. Se pensarmos em como as substâncias são formadas, quando se aumenta sua massa, aumenta-se a quantidade de moléculas e temos que fornecer mais calor para fazer todas as moléculas vibrarem mais, ou seja, aumentar sua energia cinética, o que se traduz num aumento de temperatura. Matemáticamente, podemos expressar a relação entre o calor específico de um objeto de massa m e a quantidade de calor necessária para elevar sua temperatura de ∆t Co , como: ou tcm ∆××=Q tm Q c ∆ = O produto do calor específico de uma substância pela sua massa (m.c) é conhecido como a sua capacidade térmica (C). Quando misturamos objetos a diferentes temperaturas eles trocam calor entre sí até que suas temperaturas se igualem, isto é, eles atingem o equilíbrio térmico. 0=+ recebidocedido QQ arararar tcmQ ∆××= águaáguaáguaágua tcmQ ∆××= araráguaágua cmcm ×=× água ar ar água c c m m = arágua QQ = ⇒= 1 0,24 m m ar água águaar m4,20,24 1 m ×==