Telecurso 2000. Física Completo. - 23g23

Telecurso 2000. Física Completo. - 23g23

(Parte 1 de 2)

AULA 23

`gua no feijªo, que chegou mais um!

23 A U L A

SÆbado! Cristiana passou a manhª toda na cozinha, preparando uma feijoada! Roberto tinha convidado sua vizinha, Maristela, para o almoço.

Logo cedo, Cristiana perguntou a Roberto se ele tinha colocado as cervejas e os refrigerantes na geladeira. Ela estava preocupada porque, na œltima festa, Roberto se esquecera de colocar as bebidas para gelar.

Mas, dessa vez, Roberto se antecipou a Cristiana e logo cedo encheu a geladeira com muitas cervejas e refrigerantes!

Quase meio-dia. A campainha toca. Roberto vai atender a porta e, quando abre, toma um grande susto: o filho, Ernesto, entra correndo pela porta com mais trŒs amigos.

-A gangue do Lobo veio almoçar! Cristiana, que conhecia muito bem Ernesto e suas surpresas, logo gritou: -Quantos sªo a mais? Logo que soube que eram trŒs, Cristiana rapidamente colocou mais Ægua no feijªo.

De novo a campainha! Roberto vai atender a porta, achando que era sua convidada, Maristela.

Quando abre a porta, Roberto toma mais um susto. Maristela estava com um casal!

-Salve, Roberto! Estes sªo Gaspar e Alberta, que vieram me visitar esta manhª. Como eu tinha este almoço aqui, achei que poderia convidÆ-los para almoçar conosco!

Roberto, que conhece a fama de distraída de Maristela, nªo tem dœvidas e grita:

-Cristiana, mais Ægua no feijªo! Roberto convida todos a sentar na sala e pega uma cerveja na geladeira. Quando abre a porta, mais um susto. As cervejas ainda estavam quentesquentesquentesquentesquentes!

Calor

Quente e frio sªo palavras normalmente usadas para expressar uma sensaçªo. Associamos a palavra quente quente quente quente quente a situaçıes em que um objeto estÆ com temperatura alta. À palavra frio frio frio frio frio associamos a situaçıes em que um objeto, ou mesmo a atmosfera, estÆ com temperatura baixa.

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Esse modo de falar sobre o “calor” de um corpo nªo Ø muito preciso: uma pessoa que vive na regiªo sul do Brasil pode dizer que o verªo do Nordeste Ø muito quente; jÆ um morador do Nordeste diria que Ø muito agradÆvel!

Quem estÆ com a razªo? Ambos, pois estªo expressando uma sensaçªo.

Mas, em ciŒncia, Ø necessÆrio usar termos mais precisos.

Na Física, calor calor calor calor calor Ø uma forma de energia que estÆ associada ao movimento das molØculas que constituem um objeto. Ou seja, uma cerveja quente ou fria tem calor. Quando dizemos que uma cerveja estÆ com temperatura alta, queremos dizer que suas molØculas apresentam alto grau de agitaçªo, que a energia cinØtica mØdia dessas molØculas Ø grande - ou seja, que a quantidade de energia na cerveja Ø grande!

Dizemos tambØm que a propagaçªo do calor pode ser entendida simplesmente como a propagaçªo da agitaçªo molecular. Quando esquentamos o feijªo numa panela, percebemos claramente que a superfície esquenta somente alguns minutos depois de termos colocado a panela no fogo. Isso acontece porque as molØculas no fundo da panela começam a se agitar primeiro, e demora um pouco atØ que essa agitaçªo chegue à superfície.

TambØm Ø possível compreender o resfriamento de uma substância como a diminuiçªo da agitaçªo molecular. Por exemplo: quando colocamos uma cerveja na geladeira, nossa intençªo Ø retirar parte de sua energia tØrmica, ou seja, diminuir a agitaçªo molecular na cerveja.

Na próxima aula veremos como se processam as trocas de calor, ou seja, como ocorre a conduçªo do calorconduçªo do calorconduçªo do calorconduçªo do calorconduçªo do calor.

Capacidade tØrmica

Cristiana, na cozinha, fica desesperada. Mais Ægua no feijªo? Cozinheira de mªo cheia, ela sabe que esquentar aquela enorme panela de feijªo levaria, no mínimo, uma hora. Resolve entªo pegar outras duas panelas menores e esquentar uma quantidade menor de feijªo em cada uma delas.

Maristela, que estava procurando Roberto para oferecer ajuda, vΠo que

Cristiana estava fazendo e fica bastante curiosa. Volta para a sala e começa a pensar no assunto:

- É verdade! Quando coloco muita Ægua para fazer cafØ, ela demora mais tempo para esquentar do que quando coloco pouca Ægua! Que dizer: se coloco um litro de Ægua numa panela e meio litro de Ægua em outra panela, e deixo as duas no fogo pelo mesmo período de tempo, provavelmente a que tem menos Ægua deverÆ ter uma temperatura mais alta! SerÆ que isso Ø verdadeSerÆ que isso Ø verdadeSerÆ que isso Ø verdadeSerÆ que isso Ø verdadeSerÆ que isso Ø verdade?

Enquanto Maristela pensava no assunto, Alberta jÆ estava na cozinha, ajudando Cristiana. Gaspar e Roberto tinham saído para comprar gelo.

Maristela se levanta do sofÆ e vai atØ o quarto de Ernesto. VŒ a gangue do

Lobo e pergunta se eles sabiam onde havia um termômetro. Rapidamente Ernesto vai ao banheiro e traz dois termômetros. Maristela dÆ pulos de alegria. Era justamente o que ela estava precisando: dois termômetros!

Maristela corre para a cozinha, com a gangue do Lobo atrÆs. Nesse momento

Cristiana e Alberta jÆ estavam na sala, em plena conversa. Maristela entra na cozinha e pega duas panelas. Coloca um litro de Ægua em uma e dois litros de Ægua na outra. Mede a temperatura de cada uma e verifica que os termômetros estavam marcando 23” Celsius. Imediatamente, coloca as duas panelas no fogo

AULA 23

23 C23 C

23 C23 C

38 C3 minutos ∆t = 30 C∆t = 15 C

Temperatura Final

1 Litro de água2 Litros de água

∆t ( C) e marca trŒs minutos no relógio: com isso, garante que a quantidade de calor cedida pela chama do fogªo seja a mesma para as duas panelas.

Ao final dos trŒs minutos, Maristela mede novamente as temperaturas. Na panela com dois litros de Ægua, o termômetro indicava 38°C; na panela com um litro de Ægua, o outro termômetro indicava 53°C. Ou seja: a temperatura da primeira panela tinha variado 15°C; a da segunda panela variou 30°C.

Ao ver os resultados, Maristela lembra-se imediatamente do conceito que representa essa propriedade dos corpos.

É a capacidade tØrmicacapacidade tØrmicacapacidade tØrmicacapacidade tØrmicacapacidade tØrmica. É claro que, para agitar as molØculas de dois litros de Ægua, serÆ necessÆria muito mais energia do que para agitar as molØculas de um litro de Ægua. Podemos representar matematicamente essa dificuldade usando o conceito de capacidade tØrmica:C =

Com esta definiçªo matemÆtica podemos calcular o calor necessÆrio que deve ser cedido a um corpo, se queremos que ele aumente sua temperatura de Dt, ou mesmo a quantidade de calor que deve ser retirada do corpo, se quisermos que sua temperatura diminua de Dt. Ou seja:

Capacidade tØrmica Ø a quantidade de calor necessÆriaCapacidade tØrmica Ø a quantidade de calor necessÆriaCapacidade tØrmica Ø a quantidade de calor necessÆriaCapacidade tØrmica Ø a quantidade de calor necessÆriaCapacidade tØrmica Ø a quantidade de calor necessÆria para variar de 1”C a temperatura de um corpo.para variar de 1”C a temperatura de um corpo.para variar de 1”C a temperatura de um corpo.para variar de 1”C a temperatura de um corpo.para variar de 1”C a temperatura de um corpo.

No caso da experiŒncia de Maristela, podemos ex- pressar, por meio de um grÆ-fico, o que ocorreu: 2 litros de água

1 litro de água

AULA23

Podemos ver nesse grÆfico que a panela com dois litros de Ægua teve um aumento de temperatura duas vezes menor que o aumento de temperatura da panela com um litro de Ægua. Assim, rapidamente Maristela concluiu:

-Ah! É por isso que as cervejas nªo ficaram geladas: tinha muita cerveja dentro da geladeira e todas estavam quentes, assim demora mais para resfriar todas, ou seja, para retirar energia tØrmica de todas as cervejas!

Unidades do calor

Ernesto fica curioso com toda aquela confusªo armada por Maristela, e pergunta:

-Como vocΠsabe que foi dada a mesma quantidade de calor para as duas panelas?

Maristela responde que, se a chama do gÆs fosse constante e tivesse a mesma intensidade, ela podia considerar que a quantidade de calor transmitida para as duas panelas tinha sido a mesma.

Como o calor Ø uma forma de energia, sua unidade no Sistema Internacional

(SI) Ø o joulejoulejoulejoulejoule (J), mas Ø comum usarmos outra unidade de calor, a caloriacaloriacaloriacaloriacaloria (cal), que tem a seguinte equivalŒncia com o joule:

1 cal = 4,18 J

Uma caloria Ø definida como a quantidade de calorUma caloria Ø definida como a quantidade de calorUma caloria Ø definida como a quantidade de calorUma caloria Ø definida como a quantidade de calorUma caloria Ø definida como a quantidade de calor necessÆria para elevar, em 1”C, um grama de Ægua!necessÆria para elevar, em 1”C, um grama de Ægua!necessÆria para elevar, em 1”C, um grama de Ægua!necessÆria para elevar, em 1”C, um grama de Ægua!necessÆria para elevar, em 1”C, um grama de Ægua!

O calor específico

Maristela volta para sala, satisfeita com suas conclusıes, quando ouve

Cristiana comentar com Alberta, a caminho da cozinha, que a panela de cobre esquenta a comida muito mais rÆpido do que a panela de alumínio. Maristela nªo acredita: achava que jÆ tinha a conclusªo final sobre o assunto. Nesse momento, Ernesto, que estava atrÆs de Maristela, dÆ um palpite.

-Se vocŒ sabe que uma caloria Ø a quantidade de calor necessÆria para elevar, em 1”C, um grama de Ægua, pode saber quanta energia foi fornecida para as panelas!

Era exatamente o elemento que faltava! Maristela puxa seu caderninho e começa a fazer anotaçıes:

fiSe a densidade da Ægua Ø 1 kg/l, entªo um litro de Ægua tem uma massa de 1 kg, ou seja, 1.0 gramas.

AULA23 fiSe a variaçªo de temperatura em um litro de Ægua foi de 30 ”C, podemos fazer o seguinte raciocínio: a capacidade tØrmica de um litro de Ægua Ø a quantidade de calor que um litro de Ægua recebe para ter determinada variaçªo de temperatura!

fiSe dividirmos a capacidade tØrmica pela massa de Ægua:

temos a quantidade de calor necessÆria para aumentar a temperatura de cada grama de Ægua de 1°C, e isso eu sei quanto vale!!!

Assim, podemos escrever que: DQ = m · Dt · 1 cal/g”C

DQ = 1000g · 30”C · 1 cal/g”C

DQ = 30000 cal = 30 Kcal

Essa foi a energia tØrmica cedida à panela com um litro de Ægua! fiNo caso da panela com os dois litros de Ægua, temos que:

Cm Q m t

Assim, podemos escrever que: DQ = m · Dt · 1 cal/g”C

DQ = 2000g · 15”C · 1 cal/g”C

DQ = 30000 cal = 30 Kcal que Ø exatamente o mesmo resultado, ou seja, a mesma quantidade de energia tØrmica foi dada às duas panelas!

Mas o que isso tem a ver com as panelas de diferentes materiais?

SerÆ que, se tivermos a mesma massa de Ægua e óleo, e fornecermos a mesma quantidade de calor para cada uma, as duas substâncias “esquentarªo” no mesmo tempo? Sabemos que nªo! Essa conclusªo vem do fato de que cada material tem uma estrutura própria. E Ø devido a essa diferença que a panela de cobre esquenta mais rÆpido do que a de alumínio. A essa propriedadepropriedadepropriedadepropriedadepropriedade dos corpos chamamos de calor específicocalor específicocalor específicocalor específicocalor específico.

Calor específico Ø a quantidade de calor necessÆria para que umCalor específico Ø a quantidade de calor necessÆria para que umCalor específico Ø a quantidade de calor necessÆria para que umCalor específico Ø a quantidade de calor necessÆria para que umCalor específico Ø a quantidade de calor necessÆria para que um grama de uma substância aumente sua temperatura em 1” Celsius.grama de uma substância aumente sua temperatura em 1” Celsius.grama de uma substância aumente sua temperatura em 1” Celsius.grama de uma substância aumente sua temperatura em 1” Celsius.grama de uma substância aumente sua temperatura em 1” Celsius.

AULA23

Podemos escrever o calor específico em termos da capacidade tØrmica, ou seja: c C

O calor específico Ø uma propriedade específicaØ uma propriedade específicaØ uma propriedade específicaØ uma propriedade específicaØ uma propriedade específica de cada substânciade cada substânciade cada substânciade cada substânciade cada substância, como podemos ver na tabela abaixo:

Podemos tambØm calcular o calor cedido ou retirado de um corpo se soubermos o valor da sua massa, de seu calor específico e da variaçªo de temperatura: DQ = m · c · Dt

Voltando às panelas

Maristela, entªo, conclui que, se as panelas de cobre e de alumínio tŒm a mesma massa, essa grandeza - o calor específico - nos mostra que o alumínio necessita de 0,2 cal para elevar em um grau Celsius cada grama da panela, enquanto o cobre necessita de apenas 0,093 cal para isso. Por isso, a panela de cobre, com uma mesma quantidade de calor, aumenta sua temperatura de modo mais rÆpido!

Maristela, enfim, fica satisfeita com suas conclusıes. Ernesto e a gangue do

Lobo voltaram para o quarto e continuaram a bagunça, enquanto Cristiana e Alberta estavam na cozinha, às gargalhadas, como se fossem amigas íntimas de muitos anos.

A campainha toca. Entram Roberto e Gaspar, com caras muito desanimadas.

Maristela pergunta o que aconteceu. Eles explicam que tinham ido comprar gelo para gelar as cervejas, jÆ que a geladeira nªo estava dando conta do serviço. Mas, em vez de comprar gelo em barra, resolveram comprar gelo picado, colocandoo na mala do carro. Quando chegaram ao prØdio e abriram a mala, o gelo havia derretido quase todo! Maristela imediatamente fala:

-Se vocŒs tivessem comprado o gelo em barra, ele demoraria mais a derreter!

Nesse momento, Cristiana e Alberta voltam da cozinha, tomando cerveja.

Roberto e Gaspar ficam chocados! Cristiana entªo explica que tinha colocado algumas cervejas no congelador, e elas jÆ estavam geladas. Foi o suficiente para começar o almoço.

CALORESCALORESCALORESCALORESCALORESESPECFICOSESPECFICOSESPECFICOSESPECFICOSESPEC˝FICOS
CALORCALORCALORCALORCALORESPECFICOESPECFICOESPECFICOESPECFICOESPEC˝FICO

(cal/g ”C)

Gelo Latªo Mercœrio Prata TungstŒnio Vapor d’Ægua Vidro

`gua Alumínio Carbono Chumbo Cobre Ferro

CALORCALORCALORCALORCALORESPECFICOESPECFICOESPECFICOESPECFICOESPEC˝FICO

(cal/g ”C)

AULA23Nesta aula vocΠaprendeu:

•que os conceitos de “quente” e “frio” nªo sªo adequados nem precisos para expressar uma medida de temperatura;

•que calor Ø uma forma de energia que estÆ relacionada à “agitaçªo” molecular da matØria;

•o conceito de capacidade tØrmica:

que mede a quantidade de calor que deve ser fornecida ou retirada de um corpo para que sua temperatura aumente ou diminua em 1° Celsius;

•o conceito de calor específico:

c C que mede a quantidade de calor necessÆria para aumentar ou diminuir em 1° Celsius a temperatura de um grama de uma substância. É uma propriedade específica das substâncias.

Exercício 1Exercício 1Exercício 1Exercício 1Exercício 1

Explique por que uma pedra de gelo derrete mais lentamente que a mesma quantidade de gelo moído.

Exercício 2Exercício 2Exercício 2Exercício 2Exercício 2

Uma geladeira que estÆ cheia de alimentos e recipientes, que jÆ estªo com temperatura baixa, consome menos energia. Explique essa afirmaçªo.

Exercício 3Exercício 3Exercício 3Exercício 3Exercício 3

Normalmente, o motor de um automóvel trabalha a uma temperatura de 90”C. Em mØdia, o volume de um radiador Ø de 3 litros. Calcule a quantidade de calor absorvida pela massa de Ægua pura que foi colocada a uma temperatura ambiente de 20”C. Supondo que o dono do carro colocasse um aditivo na Ægua e que o calor específico desta mistura fosse 1,1 cal/g ”C, calcule novamente a quantidade de calor absorvida pelo conjunto, desprezando a alteraçªo da massa.

Exercício 4Exercício 4Exercício 4Exercício 4Exercício 4

No grÆfico ao lado, vemos como varia a temperatura de dois blocos de metal de mesma massa (10 g). Com auxílio da tabela desta aula, identifique os metais A e B.

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