teoria para mperatura e

a Materia, temperatura e calor

Conceito fisico de temperatura

Conceito fisico de calor

Processos de varia~a.o de temperatura

> > > Utilizamos uma serie de objetos com a finalidade de dificultar ou facilitar o processo de aquecimento ou de resfriamento. Panelas de ferro, de alum1nio, de barro; cabos de madeira, de plastico (baquelita); caixas de isopor; fogoes; refrigeradores; circuladores de ar; estufas e coletores solares sao alguns aparelhos que possuem propriedades associadas a transferencia de energia devido a diferen~a de temperatura entre eles.

Este capitulo trata dos conceitos fisicos de temperatura e de calor. Vamos identificar e caracterizar os diferentes processes pelos quais obtemos o aqueci mento (ou resfriamento) dos objetos pela transferencia de energia, exclusivamente por diferen~a de temperatura.

MATERIA, TEMPERATURA E CALOR

Atividade experimental .

No nosso dia-a-dia, utilizamos o tato para

·r o grau de aquecimento dos objetos. Consi- r-·

mos um objeto quente quando sentimos que

Fa~a uma lista de diferentes obje­tos e materiais que estao a sua volta e anote as sensa~oes termicas ( quente ou frio) obtidas pelo tato. Ao final, dis­

cuta com os colegas seus resultados. possui uma temperatura maior do que a de

o corpo. Para essa comparac;ao, usamos o ta­

Quando provamos nossa com ida, por exemplo, 1

_ ,..,r,pn" mos se esta quente ou fria pelo contato

nossos labios.

Nos dias quentes de verao, e muito agrada­

chegar a casa, tirar os tenis e as meias e andar

-~::a lc;o. 0 contato do pe com o chao proporcio­

sensac;oes distintas: o carpete e o tapete, por --------plo, estao quentes, mas a lajota de ceramica,

parede e o metal da geladeira estao frios. Mas

que esses objetos estao de fato com tempera-

Se voce colocar uma das maos num recipien­te com agua quente e a outra num recipiente com

agua fria e, depois, puser as dBBuas num terceiro

recipiente contendo agua morna, o que vai sentir

em cada uma das maos? Como tato, voce sera capaz de medir a temperatura real da agua morna?

Atividade experimental Pegue tres recipientes e coloque,

em cada urn deles, quantidades iguais de agua: fria, morna e aquecida, ate o ponto em que seja possivel toca-la.

Coloque, simultaneamente, uma das maos no recipiente com agua quente e a outra no recipiente com agua fria. Em seguida, coloque as duas maos no recipiente com agua morna.

0 que se pode dizer sobre a tempera­tura da agua moma levando-se em con­ta as sensa~;oes obtidas pelas maos?

Essa experiencia mostra q e o a o ao e um born recurso para determinar a e peratura dos objetos, pois cada mao e e ma sensac;ao diferente da agua morna. Se usassemos dois ter-

135

-z • .... Q

-• ... • ,. • • .... X ... "" > .... c:: ,. > ... 0

.... • t"" 0 ,.,

o Iugar das maos, entretanto, ca<;ao da temperatura da agua mor­

se ·a a mesma, nao importando se fo-ra colocados anteriormente na agua

ente ou na fria .

Antes de prosseguirmos com esse es-udo, mostraremos mais um exemplo de

como o conhecimento e construfdo pela ffsica . Apresentaremos duas concep<;6es de calor, elaboradas em epocas distintas: o calor como uma substancia e o calor como transferencia de energia.

Figura 1: Termometro.

Teoria do calor como substancia No seculo XVII I, o calor era considerado

uma especie de substancia invisfvel ou um tipo de fluido, como a luz, a eletricidade eo flogfstico (flui­do que se imaginava ser o responsavel pela com­bustao). Quanta maior a quantidade desse f luido " calor" em um objeto, maior seria sua temperatu­ra. Num ambiente isolado, o objeto poderia guar­dar essa substancia "calor" , mantendo sua tem­perat ura constante. Em cantata, dais objetos a temperaturas diferentes troca riam o flu ido "ca­lor", que iria do corpo mais quente para o mais frio, ate que suas temperaturas fossem iguais, ou seja, ate que fosse atingido o equiHbrio termico entre eles. Quando tal estado era alcanc;ado, imagi­nava-se que a passagem dessa substancia cessava.

Essa teoria considerava ainda que o " calor" era atrafdo pela mate ia e sua quantidade total era constante: ele nao r:J dia ser criado nem destrufdo.

Embora a teoria do calor como uma subs­tancia explicasse satisfatoriamente o processo de eouilfbrio termico, nao justificava outros feno­rnenos, porque era precise admitir que essa subs­:a ·a nao tinha massa, pois, mesmo muito aque-

• um objeto tinha a mesma massa de outro a ~ 2 emperatura menor. Logo, a substancia "ca­- • -.ambem denominada cal6rico, apresentava

::.= ::: _e(sticas muito especiais: penetrava facil--~c: a materia, era atrafda por ela, nao podia ~;::;.a em destrufda e nao possufa massa.

as eorias da ffsica, busca-se explicar Siili5fc:CJ(E-...,e .e a maior quantidade possfvel de

fenomenos. Como a teoria do cal6rico explica­ria o aquecimento provocado pelo atrito en­tre dois objetos?

Quando esfregamos as maos, gradativa­

mente elas se aquecem. 0 mesmo fato se verifica

quando furamos urn metal com uma broca. Esse

t ipo de aquecimento esta relacionado ao atrito en­

tre objetos. No seculo XVIII, Benjamin Thompson,

que trabalhava numa fabrica de canhoes, perce­

beu que, ao fazer um furo no cano de um canhao

de metal, produzia-se um grande aquecimento, o

que significava que a quantidade de cal6rico esta­

va aumentando. A hip6tese de que todo aquele

calor ja estivesse na pec;a levaria a conclusao de

que o canhao deveria derreter antes mesmo de ser

furado, o que era um absurdo. Foi o pr6prio

Thompson quem reelaborou o conceito de calor

como o movimento das partfculas que constitufam

os materiais.

Figura 2: 0 aqueci­mento produzido pelo atrito nao e explicado pela teo­ria do cal6rico.

Apesar disso, a teoria do calor como subs­

tancia foi aceita pelos cientistas durante todo o se­

cu lo XVIII e, cotidianamente, muitas vezes conside­

ramos o calor como uma substancia.

Teoria cinetico-molecular da materia Elaborada principalmente durante o seculo

XIX pelo ffsico britanico-americano Benjamin

Thompson (conde de Rumford, 1753-1814), pelo

f fsico alemao Rudolf Clausius (1822-1888) e pelo

matematico e f fsico escoces James Clerk Maxwell

(1831-1879), a teoria cinetico-molecular procura­

va explicar inicialmente a constituic;ao da materia

no estado gasoso e como ela esta organizada. Pos­

teriormente, devido a seu sucesso, ela possibilitou

compreender a organizac;ao da materia em outros

estados: o lfquido e o s61ido.

A palavra "cinetico" - ou "cinetica" - tem m grega e significa movimento. E uma pri­

pista para entendermos essa teoria. Os ffsicos

a elaboraram consideraram duas hip6teses:

A materia no estado gasoso e for­mada de mimlsculas particulas, deno­minadas moleculas, com tamanho da ordem de 10- 8 em.

No estado gasoso, as moleculas es­tao em movimento aleatoric ou desor­denado.

Ou seja, havia no estado gasoso um enorme de moleculas se movimentando ao acaso.

Ainda segundo essa teoria, por causa do tama­as moleculas do gas estariam completamente

--,.;,r::.rl::.c: umas das outras, nao havendo interac;ao

e elas, a nao ser nos curtfssimos instantes em

elas colidem entre si, alterando sua trajet6ria .

De acordo com essas hip6teses, era possfvel crever 0 comportamento dos gases e compre-

der algumas de suas propriedades. Por exemplo, gases nao apresentavam forma ou volume defi­

es porque as moleculas, no estado gasoso, nao

ariam ligadas umas as outras; eles apresenta-

vam baixa densidade e facil compressao por causa da grande distancia que have­

ria entre suas moleculas.

A teoria cinetico­molecular permite tam­bern distinguir os concei­tos de temperatura e calor, como veremos a seguir.

Figura 3: Representa­~ao do movimento das moh!culas de urn gas, segundo a teoria ci netico-molecular.

1. Como a teoria do cal6rico explica o equilibria termico atingido, ap6s a mistura, entre duas amostras de agua, inicialmente a temperatu­ras diferentes?

2. A teoria do cal6rico consegue explicar o pro­/

cessci de aquecimento obtido com o atrito? Justifique sua resposta.

3. Quais as duas hip6teses fundamentais da te­oria cinetico-molecular da materia?

4. Como e compreendida a intera~ao entre as moleculas na materia no estado gasoso, na teoria cinetico-molecular?

CONCEITO FISICO DE TEMPERATURA

Do que depende a velocidade das .m.IDle!CUlas em urn gas?

A hip6tese de que as moleculas de um gases­jam em constante movimento aleat6rio permite gumas considerac;6es sobre suas velocidades. Esse ovimento depende exclusivamente da temperatu­

ra do gas e, por esse motive, e denominado movi-mento termico desordenado. A temperatura am-·ente, por exemplo, a velocidade media das mole­

culas de um gas e da ordem de 500 m/s.

Quando a temperatura de um gas au menta, em media a velocidade de suas moleculas tambem

aumenta. A temperatura, a velocidade e a energia cinetica media das moleculas sao conceitos intima­mente ligados.

A temperatura de urn gas e uma medida

relacionada com a intensidade da agita~ao

(movimento desordenado) das moleculas que

o constituem.

Moleculas muito agitadas => temperatura alta.

Moleculas pouco agitadas => temperatura baixa.

137

... 0

D > ..., > "" > >

"' 0

n > I'"" 0

""

PIRA T AS 00 TIET~ William Thomson (ou lorde Kelvin), mate­matico e ffsico escoces (1824-1907), considerou

que a energia de movimento das moleculas dos

gases ati ngiria um valor mfnimo de temperatura,

ao qual ele chamou zero absoluto, e propos uma

escala de temperatura com infcio exatamente no

zero -absolute. Esta escala passou a ser denomina­

da escala absoluta ou escala Kelvin.

Figura 4: 0 que levou o guarda a multar os car­ros? Que sugestao voce daria para desfazer esta situa~ao?

As diferentes escalas de temperatura A elabora~ao de uma escala de temperatura envolve a escolha arbitraria de dois valores como

parametres, que podem corresponder a fenomenos fisicos conhecidos: a fusao da agua (gelo) e a ebuli~ao da agua.

Anders Celsius, astronomo sueco que viveu entre 1701 e 1744, propos uma escalade tempe­ratura que hoje e adotada intemacionalmente, conhecida como escala Celsius. Ele adotou o valor zero para a temperatura de fusao da agua e 0 valor 100 para a temperatura de ebuli~ao da agua. Dividiu o intervale entre as duas situa~oes em cern partes iguais, denominando cada parte como um grau (par essa razao, essa escala tambem pode ser chamada de centigrada). Desse modo, a fusao do gelo foi associada a temperatura ooc (le-se zero grau Celsius) e a ebuli~ao da agua, a 100°C (cern graus Celsius) , quando a pressao atmosferica vale 1,0 atm (ao nivel do mar).

Se comparaqnos dais termometros, urn na escala Kelvin e outro na escala Celsius, poderemos verificar a correspondencia entre os valores em cada uma das escalas:

Observe que cada valor de temperatura na escala Kelvin corresponde a urn valor na escala Celsius adicionado de 273, ou seja,

T = tc + 273

em que T e a temperatura em Kelvin e tc, em Celsius. Outras escalas de temperaturas foram sugeridas, dentre as

quais destaca-se a do fisico germano-holandes Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-1736), adotada ate hoje nos paises de lingua inglesa. Nessa escala, o valor 32 corresponde a fusao da agua eo valor 212, a sua ebuli~ao. Assim, o intervale entre esses dois pontos tern 180 divisoes, cada uma equivalendo a urn grau Fahre­nheit (1 °F).

Comparando-se os valores de temperatura da fusao do gelo e da ebuli~ao da agua nas escalas Celsius e Fahrenheit, constata­mos que a varia~ao de urn grau na primeira escala corresponde a varia~ao de 1,8 grau na segunda. Como o valor 0°C corresponde ao valor 32°F, podemos converter graus Celsius em graus Fahre­nheit usando a seguinte expressao:

tF = 1,8 · tc + 32

e tF e a temperatura Fahrenheit e tc, a temperatura Celsius.

esc ala Celsius

escala Kelvin

373K

293K 273K

OK

Figura 5: Compara~ao entre as escalas Celsius e Kelvin.

------- ----------Alguns valores aproximados de temperatura

interior do freezer -1 rc interior do refrigerador entre 4,0 e 7,0°C

------ - - -· - -------corpo humano 36,5°C

---- -- -- --~------~-- ·- ---~ -- -64 km abaixo da superficie da Terra 1800°C ------------- - -----------1------ -- ---

filamento da lampada 2 soooc ==;·P~~-q~;!-pa~~~-umi~o_ .1- is~oo~

bomba atomica 500 ooooc interior do Sol 10000000°C

bomba de hidrogenio ' 100 000 000°C

Tabela 1

Os conceitos de energia intema e de equilibrio termico

Segundo a teoria cinetico-molecular, um gas ideal e composto de moleculas em movimento,

separadas umas das outras e sem interac;ao entre si. Do ponte de vista energetico, podemos dizer

que tais moleculas tem, em media, uma energia ci­

netica constante se nao houver mudanc;a de tem­peratura. A energia cinetica total de suas molecu­

las ~ a .~!!~~9!~!-~~-~__r:na do gas, tambem chamada energia termica .

A energia interna nao depende s6 da temperatura. Se aumentarmos o mlmero de moleculas na amostra do gas, a energia interna tambem au­mentara, mesmo que a temperatura se mantenha constante.

Se duas amostras de um mesmo gas, separa­

das em dois recipientes (figura 6), tem igual numero

moleculas, mas temperaturas iniciais diferentes,

as energias cineticas medias de suas moleculas sao

mbem diferentes.

Se colocarmos as duas amostras em conta­

' abrindo o registro indicado na figura 6, as mo­

ulas com maier velocidade percorrerao maiores ancias, invadindo mais rapidamente o outro re­

iente, colidindo com as mais lentas e transferin­

parte de sua energia cinet_ica.

A B

{

moleculas com maior energia Maior temperatura cinetica media.

gas com maior energia interna.

Figura 6: Representa~o de duas amostras de urn mesmo gas a diferentes temperaturas (TA > T8 ) .

0 resu ltado desse processo e que, ap6s um certo tempo, a energia cinetica media das moleculas vai se aproximando de um mesmo valor. t exata­mente nisso que consiste o conceito de equilfbrio termico na teoria cinetico-molecular da materia.

Temperatura, energia intern::-l equihorio termico sao conceitos q1~e j fazem parte da teoria cinetico-mole- 1 cular da materia e s6 podem ser com­preendidos se considerarmos a ideia de que a materia e constituida de mo­leculas em movimento; Para uma de­terminada substancia, o grau de agi­ta~ao ( energia cinetica media) de suas moleculas esta associado a sua temperatura, e o somat6rio das ener­gias dessas moleculas corresponde a sua energia intema.

0 equilibrio termico entre duas substancias ocorre quando a energia cinetica media de suas moleculas e a mesma, ou seja, quando possuem a mesma temperatura.

No estado gasoso, a energia cineti­ca media das moleculas depende ape­nas da temperatura do gas. Podemos calcular esta energia cinetica media pela expressao:

3 Ec =- k·T. 2

T e a temperatura em Kelvin, Ec e a energia cinetica media em joules e k, uma constante cujo valor, no SI, e 1,38 X 10- 23 J/K.

J

139

c::: :c > .... ... Cl

"' -> ., > "' > > .... ... :c ., ... "' > .... c:::

"' > ... Cl

n > I""' Cl

"'

5. Como a teoria cinetico-molecular da materia define a temperatura de urn gas?

6. (Fuvest-SP) A televisao noticia que a tempe­ratura em Nova York chegou aos 104 graus (naturalmente, 104 graus Fahrenheit). Esta temperatura equivale a:

a) 44°C. c) 36°C. e) 0°C. b) 40°C. d) 30°C.

7. Existe alguma temperatura com o mesmo va­lor na escala Celsius e na escala Kelvin? Se existe, qual e?

8. Existe alguina temperatura com o mesmo va­lor na escala Celsius e na escala Fahrenheit? Se existe, qual e?

9. Uma am astra de gas hidrogenio tern 6,0 x 1023 moleculas e esta a 100 K. Calcule:

a) a energia cinetica media das moleculas; b) a energia cinetica total (energia interna)

da amostra.

10. No que consiste a energia interna para a ma­teria no estado gasoso?

11. Como a teoria cinetico-molecular da materia explica o equilibria termico de duas amos­tras de ga~, inicialmente a temperaturas di­ferentes?

CONCEITO FiSICO DE CALOR

Por que a energia interna de urn gas aumenta quando ele e aquecido?

Quando um gas recebe energia, a velocida­de media de suas moleculas aumenta. ConseqOen­temente, a energia cinetica total das moleculas do gas aumenta, ou seja, sua energia interna sofre um acrescimo. 0 efeito perceptfvel e o aumento da temperatura do gas, uma vez que ela represen­ta uma forma indireta de medir sua energia cineti­ca media. Essa mudanc;a de temperatura ocorre porque o gas recebe energia de uma fonte que esta a uma temperatura maior que a dele.

Figura 7: Urn gas aque­cido por uma fonte, neste caso urn bico de Bunsen, aumenta sua temperatura. lsso sig­nifica que suas mole­culas tern sua energia cinetica media aumen­tada.

~ . I

. -r

_,.,...

Figura 8: Dois sistemas gasosos a temperaturas ferentes, quando misturados, atingem o equil termico. A temperatura de equilibria termico <n menor que TA e maior que T8 •

Tambem vimos que, quando duas amostras

e gas a temperaturas diferentes sao colocadas

em cantata, o equilibria termico e atingido ap6s ma troca de energia entre elas. Assim, sempre

e existir uma diferen~a de temperatura entre is slstemaso_u_objetos, uma certa quantiaade de

ergia e transferida do objeto mais quente para

Calor e a transferencia de energia

de urn objeto ou sistema para outro, devido, exclusivamente, a diferenc;a

de temperatura entre eles.

Note que existem duas maneiras de transfe­

energia de um sistema para outro: par interme­

do trabalho realizado par uma for~a, como ja em mecanica, e pelo calor. Nesse caso, s6 transferencia de energia quando houver di­

-_,..,,.., de temperatura entre os sistemas.

Vamos analisar, com base nos conceitos de e calor, o que acontece quando uma pes­

.....t-rcr•::~ uma mao na outra. 0 trabalho realiza­

for~a muscular transfere energia para as ma parte dessa energia transforma-se em cinetica das maos, que se movem; a outra

e transferida para suas moleculas, aumen­

sua energia cinetica media e, conseqOente-

ando a pessoa deixa de esfregar as maos, ..,"""'n-> . 0 ambiente esta a uma temperatura

menor que a das maos e, assim, ha transfer de energia das maos para ele. 0 resultado e rna diminui~ao da energia cinetica media das molecu­

las das maos e, portanto, de sua temperatura.

Voce deve ter percebido que, para a ffsica, a

palavra calor tem um significado diferente daquele

empregado no dia-a-dia. t comum uma pessoa

dizer que esta com calor. Fisicamente, entretanto,

o calor nao esta nas pessoas, objetos ou sistemas.

Ele representa um modo de transferir energia de

um sistema para outro, par causa da diferen~a

de temperatura entre eles. A energia total que as

moleculas de um objeto possuem e considerada

sua energia interna, e nao seu calor. A frase "Es­

tou com calor" nao tem sentido para a ffsica .

Calor e temperatura sao a mesma coisa?

Estes conceitos estao intimamente li­

gados, mas sao diferentes. Temperatura e

uma medida do grau de agitac;ao (energia ci­

netica media) das moleculas de urn sistema.

Calor e uma forma de transferir energia de

urn objeto ou sistema para outro decorrente,

exclusivamente, da diferenc;a de temperatu­

ra entre eles.

141

0 lJil

> .... > ;JCJ

> >

"' 0

..., > .... 0 1011

> o-1 ... X ..., ... :o:l > o-1 c:: :o:l > ... 0

n > I"'" 0 :o:l

12. 0 que deve acontecer para que a temperatura de urn objeto varie?

13. Defina calor.

14. Quando dois sistemas atingern o equilibria terrnico, o que acontece corn a transferencia de energia?

15. Cite as duas rnaneiras possiveis de transferir energia de urn sistema para outro.

16. Quando urna broca fura urna parede, ha transferencia de energia? Justifique sua res­posta.

17. Quale a diferen~a entre calor e temperatura?

PROCESSOS DE VARIA~AO DE TEMPERATURA

0 processo de aquecimento de uma colher e o mesmo que o de um pouco de agua?

Vimos que calor e a transferencia de ener­

gia de um sistema para outro, quando existe dife­

renc;a de temperaturas entre eles. Esta transferen­

cia pode ocorrer de tres formas: por convecc;ao, por conduc;ao e por irradiac;ao.

Convec~ao

Por que o congelador fica na parte de dma da geladeira?

Quando esquentamos agua numa chaleira,

a parte da agua que esta no fundo, aquecida pelo

contato com o metal quente, aumenta de volume,

torna-se menos densa e sobe. Ao mesmo tempo,

seu Iugar vai sendo ocupado pelas camadas mais

densas, ou seja, mais frias, que estavam acima dela.

Assim, formam-se correntes de circulac;ao no inte­

rior do liquido, denominadas correntes de con­vecc;ao. Como resultado, toda a agua da chaleira e aquecida. 0 movimento causado pelas correntes

de convecc;ao nao deve ser confundido com a tur­

bulencia que ocorre durante a ebulic;ao do lfquido.

0 movimento do ar na atmosfera, o vento,

e resultado das correntes de convecc;ao. Como as

temperaturas variam muito durante o dia, os ven­

os sao diferentes nas varias regi6es do planeta . 0

142

vento constante das regi6es pr6ximas ao equador,

por exemplo, ocorre porque o Sol aquece mais a

superffcie da Terra nessas regi6es, fazendo com

que o ar fique menos denso e suba. 0 ar frio dos

p61os, mais denso, move-se proximo a superffcie

terrestre para ocupar o Iugar do ar que subiu.

Figura 9: Urn aquecedor deve ser colocado proximo ao solo.

Quando colocamos um aquecedor numa

sala, como na figura 9, o ar aquecido sobe e pro­

voca a formac;ao de correntes de convecc;ao. Os condicionadores de ar, por sua vez, devem ser ins­

talados na parte superior das paredes, porque lan­

<;am ar frio pela parte de cima. Esse ar, mais denso

e, enquanto oar mais quente desloca-se para formando as correntes de convee<;ao, que

·geram o ambiente. 0 mesmo processo resfria erior da geladeira (figura 1 0): o congelador e

•*>c:ado na parte de cima e as prateleiras sao va­para facilitar o deslocamento das correntes

l O: ·A movimentac;ao do ar no interior da ge­pelas correntes de convecc;ao, mantem sua

~-o:~atm·a baixa.

A transferencia de energia por convec~ao e caracterfstica de materiais fluidos (lfquidos e

Com a teoria cinetico-molecular, ate agora para gases, e possfvel interpretar 0 pro-

de convec~ao da seguinte forma: quando · e aquecido, ha um aumento da energia ci-

molecular faz com que o gas se expanda, maior volume e, consequentemente, sua densidade. Note que a conyec~ao

de um gas: as correntes de convec~ao .

de que as moleculas de um gas estao em movimento aleat6rio e que as corren­

convec~ao caracterizam um movimento or­

que se soma a este movimento aleat6rio.

os lfquidos tambem acontece um proces­

s6 que ha uma intera~ao entre as que estao muito mais pr6ximas umas

das outras do que nos gases. Essa i ntera~ao e de natureza eletrica (conforme veremos com mais deta­

lhes na parte 3) e mantem as moleculas ligadas umas

as outras. Desse modo, a energia interna dos lfquidos

nao e apenas cinetica, como nos gases, ha tambem um

t ipo de energia - denominada energia potencial - as­

sociado a essa interac;ao entre as moleculas. A ligac;ao

entre as moleculas justifica o fato de um lfquido ter

volume definido e dificilmente poder ser comprimido.

Apesar de ligadas umas as outras, as moleculas num lf­

quido podem trocar de posic;ao e, por isso, ele pode

fluir, assumir a forma do recipiente que o contem e

produzir correntes de convecc;ao em seu interior. Ou

seja, nos lfquidos, a transferencia de energia tambem

ocorre por convecc;ao, por intermedio da movimenta­

~ao de suas moleculas.

Nos liquidos, o volume e definido

porque suas rnoleculas se atraern ele­

tricarnente. Eles quase nao podern ser

cornprirnidos porque as rnoleculas se

repelern eletricarnente.

~~-----~-

_j

Figura 11: Nao sao s6 os liquidos que nao tern forma pr6pria.

Condu~ao

Por que OS cabos de panelas sao de madeira ou de plastico?

Quando colocamos uma panela no ogo, a parte que esta diretamente em con ato com a cha­ma esquenta rapidamente. As outras partes da pa­

nela, mesmo distantes da chama, aquecem-se por

143

c

"' > ... > "' > > ..... ... :c ... ... "' > ..... c::

"' > ... c n > t"' c

"'

... 0

n > l"' 0

"'

um processo denominado condu<;ao. Mas o cabo --~-------~ ~---~---~--~

da panela, geralmente de madeira ou de plastico,

j esquenta bem menos. Por isso, dizemos que a ma-

l deira e o plastico sao piores condutores termicos que os metais.

I I

Atividade experimental Coloque uma colher de madeira e

outra de metal em uma panela onde terminamos de esquentar arroz para servir (figura 12). Depois de 3 minu-

L tos toque na parte das colheres que ficou proxima, mas fora do contato direto com o arroz. 0 que voce obser­va? Procure explicar o que aconteceu. -· tac

.C'C Cta Q)'C -·-::::1 ~

Figura 12: Arroz cozido.

A figura 13 ilustra a capacidade de condu­

<;ao termica de algumas substancias. 0 condutor e um cubo, de aresta 1,0 m, cujas faces inferior e su­

perior estao a temperaturas constantes de 18°( e

17°(, respectivamente.

Alguns materiais, em geral s6lidos metali­cos, como a prata e o alumfnio, sao bons condu­

tores termicos. Outros, no entanto, sao isolantes,

como o vidro, a agua, a madeira e o ar. Para uma

mesma diferen<;a de temperatura, um bom condu­

tor transfere energia mais rapidamente que um mau condutor. Por essa razao, as panelas sao fei­tas de metal, como alumfnio ou ferro, e seus ca­

bos, de madeira ou plastico.

No inverno, quando a temperatura ambien­

te e baixa, usamos agasalhos para dificultar a transferencia de energia de nosso corpo, que esta

a uma temperatura mais alta do que o ambiente. ,..... __________ -~--Qual a importancia, neste proces­

so, do ar que fica entre as malhas do tecido?

~ -- .~.~~~--------

Voce ja viu um passaro no inverno? Ele pro­

tege-se do frio eri<;ando as penas e mantendo ar

entre elas. Como o ar e um bom isolante termico,

ele dificulta a transferencia ~e energia do corpo -~ passaro para o ambiente.

Portanto, se retirarmos o ar que fica retido entre a Ia de um agasalho, ele perdera parte de sua

capacidade de isolamento.

201 J 1""·"'1 uu·u 1 0,600 J 0,125 J 0,024 J .

---- - -----1-- ·--------:~ / --,.."::: ____ ____________ _ ___ ..,.- -

I / [i S°C] prata agua ar ./:/ · ·r::::~:::::::::::::::::::::::::::::::::::::==::::::::::::::-.:.:::::::::::::=:=::-.:::::::::.:.::-.::====:=:::::-.::::::::::::::==:::::::::::::::::::::::::::::.:::::::::::::::::::::::::::::::::r./

Figura 13: Um cubo de prata de 1,0 m de aresta tem faces a temperaturas de 17°C e 18°C. A cada se­gundo, 419 J de energia atingem a superficie de menor temperatura.

144 ----

· Em uma sala fechada, o ar, o tapete, o piso

de madeira e a parede estao em equilibria termico,

tSto e, tem a mesma temperatura. Em geral, a tem­

peratura de nosso corpo e maier que a da sala, e

a transferencia de energia de nosso corpo para os

demais objetos. Se, descalc;os, pusermos um pe no

tapete e o outre no piso de pedra, perderemos

aior quantidade de energia para a pedra do que

para o tapete. Por que isso acontece? Por causa da

d erenc;a de condutividade termica dos materi­

a : a pedra e melhor condutora que o tapete.

Alem da diferenc;a de condutividade, a

antidade de energia transferida por conduc;ao

pende da espessura do material. Por isso, a

agua leva mais tempo para esquentar em uma

nela grossa (figura 14). A vantagem e que a pa­

la aquece-se uniformemente e mantem a agua

Figura 14: A agua aquece rapidamente em uma panela fina, mas s6 nas pro­ximidades da chama.

A area de contato, o tempo de contato e a

.,"""''"~a de temperatura determinam a quan­

de energia transferida por conduc;ao. Ani­

IS como o cachorro, o gato eo urso enrolam-se

ndo esta frio, diminuindo a area de contato

o meio externo e perdendo, dessa forma, me­

energia. Voce pode perceber a influencia da

de contato tocando, primeiramente, s6 a

do dedo em um azulejo e, depois, toda a

Figura 15: Os mais se esticam quando o ambi­ente esta muito quente.

Quando o intervale de tempo de contato e pequeno, a quantidade de energia trocada e me­

ncr. Por isso, conseguimos tocar rapidamente um

ferro aquecido, mas nao podemos segura-lo por

algum tempo. A diferenc;a de temperatura tam­

bern e importante: se colocarmos a mao em uma

chaleira com agua a 70°(, receberemos mais ener­

gia do que se ela estiver a 40°(, para o mesmo

tempo de contato.

Como se exptica o processo da condu~ao com o modelo cinetico-molecular?

Este processo ocorre principalmente nos

s61idos, cujas moleculas, ou melhor, os fons, estao

bem mais pr6ximos que nos lfquidos e gases.

Como a interac;ao entre os fons e muito intensa,

eles vibram em torno de sua posic;ao, mas nao

saem do Iugar. Por isso, os s61idos tem volume

e forma definidos e sao praticamente incom­

pressfveis. No estado s61 ido, a energia interna e constitufda de energia cinetica de vibrac;ao e de

energia potencial de interac;ao entre os fons, como

nos lfquidos.

Retomemos o exemplo da panela no fogo.

Os fons do material da panela que estao pr6ximos

da chama recebem energia e vibram mais intensa­

mente, aumentando sua energia cinetica . Como

ha forte interac;ao entre eles, os fons vizinhos pas­

sam a vibrar mais tambem e assim por diante. Esse

processo resulta no aumento da tempera ura da

parte da panela que nao estava diretame e a

chama do fogo. Note que e um processo difere e

da convecc;ao: as partfculas da materia vibram,

mas nao se deslocam no interior do objeto, como

no processo de convecc;ao.

145

Irradia~ao

E possivel transferir energia sem que haja meio material?

A energia do Sol, que aquece nosso plane­

ta, viaja pelo espa~o interplanetario. Essa transmis­

sao de energia nao e feita nem por convec~ao nem

por condu~ao, porque nao ha um meio material

entre o Sol e a Terra. A energia chega ate n6s por

um tipo de radia~ao, que se propaga tanto na

materia como no vacuo. Essa forma de transmis­

sao de energia e denominada irradia~ao.

Figura 16: Quando estamos em frente a uma foguei­ra, recebemos energia por irradia~ao.

Quando aproximamos a mao de um objeto

muito quente, como uma lampada de filamento,

um aquecedor eletrico, uma fogueira, sentimos a

transferencia de energia por i rradia~ao . lsso acon­

tece com todos os objetos com temperatura supe­

rior ao meio, mesmo que esteja ocorrendo condu­

c;ao ou convec~ao. Na realidade, esses processes

ocorrem concomitantemente, em geral com a pre­

dominancia de um sabre os outros. Se a tempera­

tura do objeto e muito alta, a transferencia de

energia e muito maier pelo processo de irradia~ao.

A irradia~ao esta associada a natureza ele­

tromagnetica da materia. A radia~ao, ao atingir

um objeto, aumenta a vibra~ao das partfculas ele-

146

tricas no interior de suas moleculas e, conseqOen­temente, aumenta a energia cinetica media dessas

partfculas. 0 resultado macrosc6pico e a tempera­

tura do objeto aumentar.

A emissao de radia~ao tambem esta associ­

ada a vibra~ao de partfculas carregadas. A rapidez

com que a energia e irradiada ou absorvida depen­

de da temperatura e das caracterfsticas da superff­

cie do objeto. As superficies escuras e rugosas, ou

- • Atividade experimental nJCI

~ "g Pinte uma moeda de preto ou pren-.S :E da-a com urn pregador de madeira e re-

= "-~ vista-a com fuligem, queimando-a com a chama de uma vela. Depois de esfriar, coloque-a ao sol com outra moeda igual, mas sem a pintura.

Toque em cada uma delas depois de 10 minutes e anote o que voce sentiu.

Existem varios tipos de radia~6es: radia~ao

visfvel (luz), radia~ao ultravioleta, raios X, raios gama,

etc. A que aquece os objetos e denominada radia­

~ao infravermelha ou radia~ao termica. A radia­

~ao infravermelha tem varias apl ica~6es, desde tera­

peuticas ate belicas. Algumas armas emitem radia­

~ao infravermelha, que e refletida no alvo e volta

para uma tela, na qual se transforma em luz visfvel.

Com as radia~6es, pode-se "ver" na escuridao.

Figura 17: Esta foto mostra as regioes onde ha emissao de radia~ao termica. As cores branca, ver­melha e amarela in­dicam as regiaes em que ha maior ocorrencia desse fenomeno.

Existem materia is, como o vidro, que dificul­

tam a passagem da radiac;ao termica, mas permi­

tem a passagem de luz. Numa estufa com cober­

tura de vidro, as plantas absorvem parte da luz que

entra e, uma vez aquecidas, emitem radiac;ao in-

ravermelha . Como o vidro nao permite a passa­

gem da radiac;ao, o interior da estufa se aquece. Figura 18: Por que dentro de uma estufa a temperatura e maior que fora dela?

Vivemos numa estufa? A parcela da energia solar

que atravessa a atmosfera aque­

ce a Terra, que emite radia~ao

infravermelha, conforme ilustra

o esquema.

Esta radia~ao nao conse­

gue escapar totalmente para o

espa~o por causa da atmosfera,

que desempenha o mesmo papel

do vidro de uma estufa. Sem ela,

a Terra seria 30°C mais fria; per­

tanto, os gases da atmosfera (dio­

xide de carbone, metano, vapor

d'agua, etc.) garantem as condi­

~oes adequadas a manuten~ao da

vida no planeta. Se a quantidade

desses gases aumentar, a radia­

~ao retida pela atmosfera sera

maier, aumentando a temperatu­

ra do planeta.

Como as industrias, os car­

ros, etc. liberam constantemente

gases para a atmosfera, alguns ci­

entistas afirmam que, nos pr6xi­

mos 50 anos, podera haver urn

aumento de, aproximadamente,

2°C na temperatura media do pla­

neta. Isso poderia provocar o de­

gelo das caletas polares, elevando

o nivel dos mares e inundando re­

gioes mais baixas, e mudan~as

climaticas, que colocariam em ris­

co a vida de plantas e animais.

1 3

Essa radia~ao infraverrnelha e refletida pelas rnoleculas de algumas substancias, entre as quais o C02

A energia emitida pelo Sol atinge a Terra. Parte

dela e refletida pelas camadas superiores

/ da atmosfera.

e o vapor d'agua. Corn isso, a temperatura do planeta aurnenta. Tudo funciona como se a atmosfera fosse "1lrna gigantesca estufa.

2 0 planeta absorve o

que resta da energia e, por sua vez, emite

radia~ao infraverrnelha.

.... , _:.,.1·::::: I ••• ~ = ium .,,1, 111 ..... ,- mm ••• tit ::::: := mm :::

Os vulcoes lanr;arn aeross6is (particulas s6lidas que ficarn sus­pensas na atmosfera) . Refletindo a energia vinda do Sol, eles amenizarn o efeito estufa.

Figura 19

' Polui~ao A rnaior cota de emissao de gases cabe a queirna de cornbustiveis nos carros, fabricas e usinas do rnundo industrial., ,~

Queimad as

A queima das rnatas aumenta

-em 10% a emis,sao de C02•

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147

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Quantidade de carbono no ar o grafico ao lado

As dnerentes regiiies g do mundo tl!m um ~ 8

consume muito dne- " renciado de energia. ~ 7

~6

Na America do Norte, ~ 5 por exemplo, o consu- i 4

mo e sete vezes maior -8 que a media mundial. -8

~ .. Maior consume de § 1

energia significa lan­~ar mais gas carb6-

mostra a quantidade de carbono na atmosfera, ao Iongo da hist6ria.

0 mundo pre-industrial de 200 anos atras respirava 590 bilhiies de toneladas de carbone.

Hoje, chegamos a 760 bilhiies. A previsao e de que essa quantidade dobre em 2100.

Consumo de energia ~ . ca por habltante/ano. .2. ,._f(\en

oo~o!\e

eY.·u'Ass

nico na atmosfera. popula~iio em milhoes de habitantes

Figura 21 Fonte: ONU

ESTOIJ PENSANOO EM COMPRAR UM AR­CONt>ICtONAtlOM. NXO AGUano MAtS es5e EFE110

ES'TIJFA!

Embora a discussao sobre o controle da emissao

de gases que provocam aumento da temperatura envol­

va a participa~ao de todos os paises, ha enorme dife­

ren~a na responsabilidade de cada urn por essa emis­

sao. Para termos uma ideia dessa diferen~a, basta ob­

servar como se da, no mundo, o consumo da energia

originada de combustiveis f6sseis, como mostra o gra­

fico a seguir.

Note que na America do Norte, o consumo de

energia e muitas vezes maior do que a media no mun­

do. Levando-se em conta que, quanto maior o consumo

de energia, maior a quantidade de gases lan~ados na

atmosfera, pode-se perceber que paises devem investir

mais no controle de emissao de gases. As noticias que

divulgam as dificuldades nos acordos internacionais

em torno do controle de emissoes desses gases eo cus­

to envolvido na recupera~ao e controle da degrada~ao

ambiental refl.etem a polemica envolvida na questao

dos criterios que decidirao a parcela de responsabilida­

de e, portanto, de

dinheiro a ser de­

sembolsado por

pais.

Figura 22

A transferencia de energia por diferenc;a de temperatura pode ocorrer por tres processes: convecc;ao, conduc;ao e irradiac;ao:

,. r A con~o pr:~o~a ~: li~~-1 dos e gases, que, ao serem aquecidos, I

criam correntes no fl.uido, facilitando I seu aquecimento.

148

A condu~io acontece, em geral, I nos s6lidos; estes materiais possuem I ions que, ao serem aquecidos, aumen­

tam a vibra~ao, transmitindo-a rapi-

damente aos ions vizinhos.

Na irradia~io, a transferencia de

energia se da pela radia~ao infraver­melha; nao e necessaria a presen~a de

materia.

I

18. Por que urn liquido ou urn gas come~am a se movimentar quando sao aquecidos?

19. Duas bandejas foram colocadas em uma pra­teleira de geladeira. A parte da geladeira abaixo desta prateleira come~ou a refrigerar muito mal. Por que isso aconteceu?

20. Por que a energia interna de urn liquido na e s6 composta de energia cinetica?

21. Por que o aquecimento de urn solido ocorre pelo processo de convec~ao?

2 2. Por que a comida e aquecida em pane las metal e servida em travessas de ou vidro?

23.

24.

25.

26.

27.

Em fisica, e correto dizer que urn agasalho e

quente? Justifique sua resposta.

Quais os fatores que influem na quantidade de

energia transferida no processo de condur;ao?

Utilizando o modelo cinetico-molecular, des­

creva as modificar;oes no movimento dos ions de urn solido durante o processo de condur;ao.

0 que diferencia a irradiar;ao dos processos

de convecr;ao e de condur;ao?

Na figura, o forno

esta ligado e a

energia e transfe­

rida para o corpo

da pessoa. Qual e

o processo predo­

minante na trans­

missao dessa ener­

gia? Justifique sua

resposta. Exerdcio 27

28. Por que o interior de urn carro exposto ao sol

fica muito quente?

2 9. (PUC-SP) Em qual dos casos a seguir a propa­

gar;ao de energia se da, principalmente, por

condur;ao?

a) Agua quente que cai do chuveiro.

b) Fumar;a que so be pela chamine.

c) Cigarro que se acende mediante o uso de

uma lente que concentra os raios de sol sobre ele.

d) Xicara que se aquece como cafe.

e) Agua aquecida numa panela sobre a cha­

ma, no fogao.

(Med. Taubate-SP) Se voce tivesse de entrar

num forno quente, preferiria ir:

a) nu.

b) envolto em roupa de seda.

'- c) envolto em roupa de la recoberta com aluminio.

d) envolto em roupa de la.

~ e) envolto em roupa de linho preto.

31. Determine quais sentenr;as sao verdadei:ras

'(\o cr;o (V) ou falsas (F): () / o- . ~ .

0} a) Quando urn gas e aquecido, sua energia.

interna aumenta.

b) Nos liquidos e s6lidos, a energia interna e

composta de energia cinetica e potencial.

c) Nos s6lidos, a transferencia de energia

por diferenr;a de temperatura ocorre

principalmente por condur;ao.

d) Na convecr;ao, a materia vibra, mas nao

muda de lugar, indo de baixo para cima.

e) No vacuo, a (mica forma de transmissao

de energia e a condur;ao.

f) A sensar;ao de quente ou frio, que senti­

mos ao tocar objetos, esta relacionada

com sua condutividade termica.

32. (PUC-SP) Nas garrafas termicas, ha uma pa­

'(\o/ cQ rede dupla de vidro. As paredes sao espelha-

~ ~ das e entre elas ha vacuo. Descubra a alter-., . ~ 0 nativa correta:

a) 0 vacuo entre as paredes evita perdas de

energia por radiar;ao.

b) As paredes sao espelhadas para evitar

perdas de energia por condur;ao.

c) As paredes sao espelhadas para evitar

perdas de energia por convecr;ao.

d) 0 vacuo entre as paredes acelera o pro-- . cesso de convecr;ao.

e) As paredes sao espelhadas para evitar

perdas de energia por radiar;ao.

superficie espelhada

Exerdcio 32

149

-> .... > ,. > > ...

0

.... > ... 0

"'