TEMPERATURA, CALOR E EQUILIBRIO TÉRMICO
Autores:
Arjuna C. Panzera
Dácio G. Moura
O Sol é a nossa principal fonte de calor. A água é fundamental para a regulação térmica do planeta e do nosso corpo
Tópico 30 do CBC de Ciências
Habilidades Básicas recomendadas no CBC:
·
Diferenciar calor e temperatura e estabelecer relação entre esses conceitos.
·
Explicar a ocorrência de equilíbrio térmico como resultado de transferências de calor.
·
Identificar materiais como bons e maus condutores de calor na análise de situações práticas e experimentais.
·
Identificar algumas propriedades térmicas da água e sua importância na regulação do clima e da temperatura
corporal.
Organização do texto:
████ Informação
████ História
████ Atividades
████ Projetos
I - Introdução
Acredita-se que o homem utiliza o fogo há cerca de 1 milhão de anos, mas só aprendeu a produzi-lo e controlá-lo há
10 mil anos. Inicialmente descobriu que atritando gravetos ou pedras próximas à palha seca podia gerar calor,
faíscas e fogo. O fogo foi a primeira fonte de energia descoberta e conscientemente controlada pelo homem. Ele foi
usado nas fogueiras para aquecimento e para proteção contra animais. Foi utilizado também para cozimento de
alimentos e para iluminação. Posteriormente o fogo foi usado para endurecer o barro para fabricação de potes de
cerâmica e para produzir metais utilizados na fabricação de utensílios e armas. O fogo foi fundamental para o
desenvolvimento da civilização.
Sugestão: assista ao filme "A GUERRA DO FOGO" (1981), um romance sobre a descoberta do fogo, dirigido por
Jean Jacques Annaud.
II - Medindo o quente e o frio
Atividade 1 - Avaliando temperaturas
Numere, do mais frio para o mais quente, as seguintes situações:
( ) Cera de vela derretida
( ) Um dia muito quente
( ) Cubo de gelo
( ) Vapor d'água que sai de uma chaleira
( ) Chama de vela
( ) Refrigerante gelado
( ) Água da torneira
Atividade 2 - A nossa sensação de temperatura
Coloque três bacias sobre a mesa. Numa delas
coloque água gelada, em outra coloque água
quente (mas não fervente para evitar queimar as
mãos) e na bacia do meio coloque água à
temperatura ambiente, como na figura 1. Coloque a
mão direita na bacia com água fria e a esquerda na
bacia com água quente. Espere um minuto e
transfira as duas mãos para a bacia com água
morna. Observe a sua sensação de temperatura ao
colocar suas mãos na água morna. Qual foi a
sensação térmica da mão direita que estava na
água fria? E a sensação térmica da mão esquerda
que estava na água quente?
A atividade 2 mostra que a nossa sensação de quente e frio é subjetiva, isto é, ela pode nos enganar. Por isso é
necessário usarmos termômetros quando queremos verificar com precisão a temperatura de um corpo. O uso dos
termômetros nos permite evitar a subjetividade na avaliação de temperaturas.
Termômetros
Usamos termômetros para medir a temperatura de nosso corpo quando achamos que estamos doentes. Existem
vários tipos de termômetros. Os termômetros, para medir a temperatura, utilizam alguma propriedade da matéria que
varia quando a temperatura varia. Por exemplo: o termômetro clínico de mercúrio usa a propriedade do mercúrio de
aumentar de volume (dilatar) quando é aquecido. O termômetro clinico digital usa a propriedade elétrica de alguns
metais que varia quando a temperatura deles varia.
Figura 2: Termômetro clínico de mercúrio (analógico) e termômetro clinico digital
O termômetro de mercúrio tem um reservatório (bulbo) contendo mercúrio (líquido cinza) ligado a um tubo de vidro
muito fino. Quando o bulbo é aquecido o mercúrio expande no tubo de vidro. No tubo existe uma escala numérica
onde é lida a temperatura. O termômetro clinico mede temperaturas entre 35ºC e 43ºC (graus Celsius). Quando o
termômetro é retirado da pessoa o mercúrio esfria e se contrai novamente. Porém, nesse termômetro existe um
estrangulamento no tubo que impede que a coluna de mercúrio volte à posição inicial no bulbo. Assim, podemos ler a
temperatura do corpo mesmo algum tempo depois de retirar o termômetro.
Para usar o termômetro novamente é necessário balançá-lo fortemente para que o mercúrio desça para o bulbo.
O termômetro digital possui uma parte metálica que faz a função do bulbo do termômetro de mercúrio e a
temperatura é lida diretamente no visor, em graus Celsius.
Atividade 3 - Qual é a temperatura marcada no termômetro?
Figura 3: Termômetro de mercúrio (analógico)
Na figura 4 são mostrados outros tipos de termômetros. O da esquerda é de mercúrio com a finalidade de medir a
temperatura ambiente e funciona da mesma maneira que foi descrito para o termômetro clínico com duas diferenças:
sua escala permite medir uma faixa maior de temperatura (de -10ºC a 50ºC) e o tubo de mercúrio não possui
estrangulamento.
Nos países de língua inglesa, a escala usada para medir temperatura é o Fahrenheit (ºF). Em muitos termômetros
existem as duas escalas (Celsius e Fahrenheit) lado a lado.
Existe também um tipo de termômetro que utiliza álcool colorido de vermelho em vez de mercúrio.
Figura 4: Tipos de termômetros
A figura 4 mostra, no lado direito, um tipo de
termômetro chamado de "termômetro de máximas
e mínimas". Esse termômetro é usado para saber a
maior e a menor temperatura durante certo tempo
como, por exemplo, 24 horas. Na parte inferior da
figura está o termômetro de cristal líquido que
indica a temperatura fazendo a faixa
correspondente ao seu valor ficar mais clara,
destacando-a das demais faixas.
Nas indústrias, são usados outros tipos de
termômetros. O termômetro ótico é usado para medir altas temperaturas de metais
fundidos. Nele existe uma escala de cores do cinza até o vermelho,
correspondente às diversas cores que o metal adquire quando sua temperatura vai
crescendo.
Outro tipo de termômetro usado nas indústrias é o termopar. Ele é constituído de dois fios metálicos de materiais
diferentes, ligados a um milivoltímetro que relaciona a voltagem criada na junção dos fios com a temperatura.
Existem termopares que medem temperaturas desde - 270ºC a 1.200ºC. A figura 6 mostra um termopar cujos dois
fios estão embutidos na haste metálica.
Atividade 4 - Construindo o termômetro de Galileu
Um dos termômetros mais antigos que se tem noticia é o termômetro de Galileu, que
viveu na Itália no século 16. Galileu construiu uma bola de vidro ligada a um tubo fino
como na figura 7 (A). Ele colocava a mão da pessoa envolvendo a bola de vidro. A mão
esquentava o ar dentro da bola e por isso o ar se expandia saindo do tubo. Em seguida o
tubo era invertido e mergulhado numa bacia contendo um líquido colorido, como na figura
7 (B). Quando a mão era retirada da bola de vidro, o ar esfriava e o líquido subia dentro
do tubo. Para uma pessoa com febre o líquido subia mais do que para uma pessoa sadia.
Construa um termômetro parecido com o de Galileu usando um vidro com tampa que
deve ser furada para colar um canudinho de refresco transparente. Use este termômetro
para comparar a temperatura de algumas pessoas.
III - A diferença entre temperatura e calor
É comum na linguagem cotidiana confundir temperatura e calor. Na ciência, temperatura e calor são dois conceitos
muito diferentes e não devem ser confundidos.
Para entendermos o conceito de temperatura, devemos lembrar que toda matéria é constituída de partículas (átomos
e moléculas). Essas partículas estão em constante movimento de vibração, no caso dos sólidos. No caso dos fluidos
(gases e líquidos), essas partículas podem ter ainda movimento de translação e rotação.
A temperatura de um corpo está associada à intensidade do movimento dessas partículas. As partículas de um
objeto com temperatura alta têm maior agitação do que as partículas de outro objeto com temperatura mais baixa.
Assim, um corpo quente possui suas partículas com maior agitação do que um corpo frio. Não é correto dizer que
um corpo quente possui mais calor do que um corpo frio.
Calor, por outro lado, é a energia que passa de um corpo quente para outro corpo frio. Dizemos que o corpo quente
perdeu energia térmica e o corpo frio ganhou energia térmica. O calor é a energia que foi transferida de um corpo
para o outro.
A figura 8 mostra dois blocos separados, com temperaturas diferentes. Os termômetros medem as temperaturas dos
blocos: o quente está a 104,5ºC e o frio está a - 9,3ºC. Quando eles são postos em contato (Figura 9), o bloco mais
quente começa a diminuir sua temperatura e o mais frio a aumentar a sua temperatura. O corpo quente perde
energia térmica e o corpo frio ganha energia térmica. O calor é a energia que foi transferida de um corpo para o
outro. Assim, dizemos que calor é a energia que passou do corpo quente para o corpo frio.
Figura 8: Dois blocos separados
Figura 9: Dois blocos juntos
Depois de certo tempo, os dois blocos atingirão a mesma temperatura alcançando o chamado equilíbrio térmico,
como na figura 10. Nessa situação não há mais transferência de calor. O equilíbrio térmico ocorreu na temperatura
de 47,7ºC.
Figura 10: Dois blocos em equilíbrio térmico
IV - Como o calor se transmite
Vimos que calor é a energia que se transfere de um corpo para outro, quando existe uma diferença de temperatura
entre eles. O calor pode ser transferido de três modos:
a)
Por condução
b)
Por convecção
c)
Por radiação
Transmissão de calor por condução
A transmissão de calor por condução ocorre quando dois corpos, com temperaturas diferentes, estão em contato. A
figura 9, anterior, mostra dois corpos com temperaturas diferentes colocados em contato. Por causa da diferença de
temperatura entre eles, haverá transferência de calor do mais quente para o mais frio. O mais quente esfria e o mais
frio esquenta até que os dois atinjam uma mesma temperatura. Essa temperatura final é chamada de temperatura de
equilíbrio. A figura 10 mostra os dois corpos na temperatura de equilíbrio.
O equilíbrio térmico, como mostrado na figura 10, é sempre atingido, não importa os materiais de que são feitos os
dois corpos. Por exemplo, os dois corpos poderiam ser de ferro, ou um de ferro e outro de madeira, os dois de
madeira etc. Dependendo do tipo de materiais envolvidos, o tempo gasto para atingir a temperatura de equilíbrio
poderia ser maior ou menor. Se um corpo fosse de ferro e o outro de madeira, o tempo para atingir o equilíbrio
térmico seria muito maior do que o tempo para atingir o equilíbrio, se os dois corpos fossem de ferro. Isso ocorre
porque a transmissão do calor através do ferro é mais rápida do que a transmissão través da madeira. Dizemos que
o ferro é um melhor condutor de calor do que a madeira.
Materiais diferentes conduzem o calor de maneira diferente. A propriedade de conduzir o calor é chamada
de condutividade térmica do material. Assim, o ferro tem condutividade térmica muito maior do que a madeira. A
tabela abaixo mostra valores de condutividade térmica de alguns materiais usados em nosso cotidiano. A unidade de
condutividade térmica no Sistema Internacional de Medidas (SI) é o Watt/(metro.ºKelvin).
Material
Condut. térmica
[W/(m.K)]
Material
Condut. térmica
[W/(m.K)]
Prata
426
Madeira (pinho)
0,11 - 0,14
Cobre
398
Espuma de poliestireno
0,033
Alumínio
237
Ar
0,026
Ferro
80,3
Espuma de poliuretano
0,020
Vidro
0,72 - 0,86
Isopor
0,002
A tabela mostra que os metais têm grande condutividade térmica e por isso são ótimos bons condutores de calor. Na
tabela, qual é o melhor condutor de calor? Qual é o melhor isolante térmico?
Atividade 5 - Avaliando a condutividade térmica
a) Coloque água quente num copo. Mergulhe um garfo de metal e outro
de plástico dentro da água quente. Após certo tempo, qual garfo ficará
mais quente? Por quê?
b) Por que ao cozinhar preferimos usar colher de madeira em vez de
colher de metal?
c) Tomar refrigerante gelado num copo de alumínio é melhor do que num
copo de vidro? Por quê?
Atividade 6 - Transmitindo o calor por condução
Coloque uma lata com água quente dentro de uma bacia com água à
temperatura ambiente. Meça com um termômetro a temperatura da água
quente de dentro da lata e com outro termômetro a temperatura da água da
bacia. Anote as duas temperaturas na tabela abaixo, a cada 2 minutos.
Tempo
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
(min.)
T (ºC)
água
na lata
T (ºC)
água
na
bacia
Analisando essa experiência, responda:
1) Por que a temperatura da água da bacia aumenta e da água da lata diminui?
2) Quem perde calor e quem ganha calor nesse caso?
3) Depois de muito tempo existirá diferença entre as temperaturas?
4) Se a lata fosse substituída por um copo de isopor o que mudaria nos dados da tabela?
Na atividade 6, a água na lata e a água na bacia estão inicialmente com temperaturas diferentes. Por causa da
diferença de temperatura, há uma transferência de energia (calor) da água da lata para a água da bacia.
Atividade 7 - Pesquisando sobre a propagação de
calor nos sólidos
7.1 - Para observar como o calor se propaga nos
sólidos monte um dispositivo semelhante à mostrada
na figura 13.
A
barra
horizontal é
metálica
(ferro,
alumínio, latão etc.) e nela são fixadas previamente, bolinhas de parafina. O
calor da vela vai se propagando pela barra e à medida que atinge as
bolinhas, elas vão caindo.
7.2 - Enrole dois arames de materiais diferentes, mas de mesma espessura
como na figura 14 pingando gotas de parafina nas extremidades dos arames.
Verifique qual dos metais conduz o calor mais rapidamente.
Projeto 1
Faça uma pesquisa sobre quais materiais são usados como isolantes térmicos nos dispositivos listados a seguir:
a)
revestimentos de canos que conduzem água de coletores solares;
b)
reservatório de água quente em coletores solares;
c)
isolamento térmico de geladeiras;
d)
cabos de panela;
e)
garrafas térmicas.
Transmissão de calor por convecção
A transmissão de calor por convecção ocorre nos fluidos (líquidos e gases) quando a
parte inferior do fluido está mais quente do que a parte superior. Quando a parte inferior
está mais quente, as partículas que constituem o fluido se movem mais rapidamente,
ficando mais separadas umas das outras. Por causa disso, essa parte do fluido se
expande (dilata) ficando menos densa. Num fluido, as partes menos densas sobem e as
partes mais densas descem. Quando misturamos óleo e água, por exemplo, o óleo, que
é menos denso, sobe e a água, mais densa, desce.
Quando aquecemos água num fogão ocorre o fenômeno da convecção. A água da parte
de baixo da panela fica quente, dilata, fica menos densa e sobe. A água da parte de
cima que está mais fria, mais densa, desce. Esse movimento, chamado de corrente de
convecção,pode ser visto se misturamos pequenas partículas na água (serragem).
Assim, a convecção é um modo de transmissão de calor através do movimento das partes do fluido, a parte quente
sobe enquanto a parte fria desce.
Figura 16: Correntes de convecção do ar
Atividade 7 - Transmitindo o calor por convecção
a) Faça a experiência ilustrada na figura 17 que mostra um tubo de ensaio com água
e um pouco de serragem fina no fundo. Aqueça a água e descreva o que ocorre.
b) Agora aqueça a água na parte superior do tubo conforme a figura 18. Descreva o
que ocorre e explique a diferença em relação à situação anterior.
Transmissão de calor por radiação
O calor se transmite no espaço através de ondas da mesma maneira que a luz. Essa forma de transmissão é
chamada de radiação do calor. A radiação de calor emitida pelo Sol chega à Terra em 8 minutos. Ela percorre a
distância de 1 milhão e quinhentos mil quilômetros com uma velocidade de 300.000 km/segundo.
A radiação do calor é uma onda eletromagnética invisível também chamada de radiação infravermelha. Como todas
as ondas eletromagnéticas ela também se propaga no vácuo.
Todo corpo irradia calor, ou seja, emite ondas de infravermelho. A quantidade de calor emitido depende da
temperatura do corpo. Um ferro elétrico desligado emite calor, mas quando ligado emite muito mais. As ondas de
radiação infravermelha, elas mesmas, não são quentes. Entretanto, quando elas são absorvidas por um corpo esse
corpo aquecerá.
Corpos de cor escura absorvem mais radiação de calor do que corpos de cor clara. Os aquecedores solares de água
usam painéis pretos para absorverem a radiação de calor solar.
Figura 19: Aquecedores de energia solar para aquecimento de água
No verão preferimos roupas mais claras porque elas aquecem menos sob o Sol. Os carros de cores claras ficam
menos quentes do que os carros de cores escuras quando estacionados ao Sol. Podemos verificar isso colocando a
mão na lataria de um carro claro e de outro escuro num dia ensolarado.
Figura 20: Exemplos da propagação do calor por radiação
Atividade 8 - Transmissão de calor
Observe a figura
Durante o dia, a areia da praia fica mais quente do a água do mar.
A areia quente aquece o ar sobre ela.
a)
O que acontece com o ar aquecido sobre a areia da praia?
Marque a resposta correta:
A- Ele desce
C- Ele move em direção ao mar
B- Ele sobe
D- Ele continua no mesmo lugar
Responda os itens b), c) e d) abaixo usando as palavras:
Condução, Convecção, Radiação
b)
Um rapaz está tomando banho sol na praia. Como o calor é transferido do Sol para o rapaz?
c) Quando o rapaz anda na areia ele sente a areia muito quente. Como o calor é transferido da areia para os seus
pés?
d)
O rapaz deitado na areia sente uma corrente de ar vindo do mar. Como essa brisa é produzida?
Projeto 2
Você pode transformar uma caixa de pizza em um forno solar.
Você precisará de:
a)
Folha de alumínio
b)
Folha de papel preto
c)
Um termômetro
d)
Lápis, tesoura, régua
e)
Cola
f)
Caixa de pizza gigante
Procedimentos:
1-
Corte na tampa da pizza um quadrado, deixando uma margem de mais ou menos 4 centímetros em cada lado.
Figura 22: Construindo um forno solar - parte 1
2-
Cole uma folha de plástico transparente, fechando o buraco feito na tampa.
3-
Cole uma folha de papel preto no fundo da caixa.
Figura 23: Construindo um forno solar - parte 2
4- Coloque o termômetro dentro da caixa de modo que você possa medir a temperatura através da janela de
plástico.
5-
Coloque o seu forno ao sol e meça a sua temperatura depois de certo tempo.
6-
Pense algumas maneiras de aumentar eficiência do seu forno.
IV - Efeitos do Calor
Quando um corpo recebe calor pode ocorrer:
a) aumento de temperatura;
b) mudança de fase;
c) dilatação.
O calor aumentando a temperatura
Um dos efeitos do fornecimento de calor a um objeto é a elevação de sua temperatura. Objetos de materiais
diferentes, com mesma massa, recebendo a mesma quantidade de calor sofrem aumento diferente de temperatura.
Por exemplo, 100 gramas de água e 100 gramas de chumbo, recebendo 1000 calorias sofrem aumento diferente de
temperatura. Nesse caso, o aumento da temperatura do chumbo é 32 vezes maior do que o aumento da temperatura
da água.
Substâncias diferentes absorvem calor de forma diferente. A propriedade de uma substância de aquecer mais ou
menos quando recebe certa quantidade de calor, é chamada de calor específico. Por exemplo, o calor especifico da
água é 1 cal/g.ºC. Isso significa que 1 caloria fornecida a 1 grama de água produz um aumento de temperatura de 1
grau centígrado. O calor específico do chumbo é 0,031 cal/g.ºC. Isso significa que 0,031 caloria fornecida a 1 grama
de chumbo produz um aumento de temperatura de 1 grau centígrado. Assim, calor específico é a quantidade de calor
que faz aumentar de 1ºC a temperatura de 1 grama do material.
Uma das unidades usadas para medir a energia calorífica é a caloria (cal) que é definida como: a quantidade de calor
capaz de aumentar a temperatura de 1 grama de água de 1 grau centígrado.
A tabela a seguir mostra os calores específicos de algumas substâncias.
Calores Específicos
Substância
c (cal/g.ºC)
Água
1,00
Alumínio
0,22
Areia
0,20
Ferro
0,11
Chumbo
0,031
Atividade 9 - Calor produzindo aumento de temperatura
A partir da tabela acima responda:
a) Quantas calorias são necessárias para aumentar de 1 ºC a temperatura de 1 grama de alumínio? E de ferro?
b) Quantas calorias são necessárias para aumentar de 1 ºC a temperatura de 400 gramas de água? E de 400
gramas de areia?
c) Quantas calorias são necessárias para aumentar de 5 ºC a temperatura de 400 gramas de água? E de 400 gramas
de areia?
d) Se fornecermos 1 caloria a 1 grama de água, de quanto aumentará sua temperatura? E se fornecermos 1 caloria a
1 grama de areia?
Atividade 10 - Energia recebida do Sol
O Sol fornece calor, por radiação, a todos os corpos na superfície da Terra. Como os materiais têm calores
específicos diferentes, o aquecimento produzido é diferente. Além do calor especifico, a cor influencia também na
quantidade de calor que é absorvida pelos materiais. Você pode verificar o efeito do calor específico fazendo a
seguinte experiência:
a)
Coloque a mesma quantidade de areia e de água em dois potes iguais, conforme mostra a figura 24.
b)
Com termômetros, meça e anote as temperaturas da areia e da água.
c)
Coloque os potes ao sol.
d)
Meça as temperaturas da areia depois de 40 minutos.
e) Depois coloque os dois potes em um lugar com sombra. Meça as temperaturas da areia e da água após 40
minutos.
f)
Qual material aquece mais rápido?
g)
Qual material esfria mais rápido?
h) Procure saber como essa experiência ajuda explicar a produção e a direção de ventos na praia durante o dia e
durante a noite.
i) Com base nessa experiência, explique o seguinte fato que observamos em nosso cotidiano: durante um dia de
sol, o piso ao redor de uma piscina se apresenta mais quente do que a água e à noite se dá o contrário, a água
parece mais quente que o piso.
Fig. 24: Efeitos da radiação solar
O calor provocando mudança de fase
Os materiais, em geral, se apresentam em três estados, ou fases: sólida, líquida e gasosa. A água, por exemplo, se
apresenta no estado líquido nos lagos, rios e mares. Nas regiões polares da Terra, a água se apresenta na fase
sólida, como gelo. A água na fase gasosa é encontrada no ar que respiramos ou nas nuvens.
Atividade 12 - As mudanças de fase da matéria
A figura 14 mostra as três fases da matéria e as letras indicam os nomes dos processos de mudanças de fase.
Figura 14: Fases da matéria
Associe as letras ao seu respectivo nome da mudança de fase.
vaporização ( );
ebulição ( );
solidificação ( );
condensação ( );
sublimação (
);
fusão ( );
liquefação ( );
evaporação ( ); derretimento ( ).
Algumas palavras que descrevem mudanças de fase são sinônimas, como a condensação e a liquefação.
A ebulição e a evaporação são semelhantes, pois ambas são vaporizações, isto é, a passagem da fase líquida para a
fase gasosa ou de vapor. Entretanto, existe uma diferença entre ebulição e evaporação. A ebulição ocorre quando o
líquido é aquecido até atingir a temperatura de ebulição que, no caso da água, é de 100 ºC. Já a evaporação ocorre
quando líquido passa para a fase gasosa à temperatura ambiente. Isso acontece, por exemplo, quando colocamos
uma roupa molhada no varal para secar.
Os blocos de gelo num congelador podem estar numa temperatura negativa, por exemplo, de - 10ºC. Se os blocos
gelo forem tirados do congelador, a sua temperatura vai aumentar gradativamente até chegar a 0 ºC. Ao atingir 0 ºC
o gelo começa derreter (fusão). Dizemos que o ponto de fusão do gelo é 0ºC. Depois do gelo derretido, a água pode
ser aquecida até atingir 100 ºC. Neste ponto, se continuarmos fornecendo calor para água, ela entrará em ebulição.
Dizemos que o ponto de ebulição da água é 100ºC. Durante a fusão do gelo (0ºC) e durante a ebulição da água
(100ºC) a sua temperatura fica constante.
Atividade 13 - A temperatura de ebulição da água.
a) Coloque um pouco de água em uma panela no fogão e meça a sua temperatura com um termômetro de
laboratório.
b) Observe a elevação de temperatura da água até que ela comece a entrar em ebulição. Qual é o valor dessa
temperatura?
c) Deixe a água fervendo e continue a observar o termômetro. Continuando o fornecimento de calor à água em
ebulição, sua temperatura aumenta?
Durante qualquer mudança de fase a temperatura da substancia permanece constante. Isso acontece porque a
energia fornecida na forma de calor é usada para quebrar as ligações moleculares fazendo a substância mudar de
fase e por isso a temperatura não aumenta.
A pressão atmosférica muda com a altitude. Numa cidade, como Belo Horizonte, cuja altitude é de 800 m acima do
nível do mar, a pressão atmosférica vale 0,89 atm, ou seja, menor que a pressão ao nível do mar que é de 1 atm.
Esse fato faz com que a temperatura de ebulição da água seja menor que 100º C, em Belo Horizonte.
A figura 15 mostra os valores da temperatura de ebulição da água em cidades situadas a diversas altitudes em
relação ao nível do mar.
Figura 15: Temperatura de ebulição da água em diversas altitudes.
Pelos dados da figura 15, vemos que em La Paz deve ser mais difícil cozinhar do que em Santos, pois lá a água
ferve a 87ºC e o alimento ficará sujeito a uma menor temperatura.
O calor provocando dilatação
Outro efeito do calor é provocar a expansão do material. Isso ocorre porque o aumento de temperatura provoca maior
agitação térmica nas moléculas do material produzindo, assim, um maior distanciamento entre elas, resultando numa
expansão.
A figura 16 mostra trilhos de uma estrada de ferro onde podemos ver espaços deixados para compensar a dilatação
do aço causada pelo Sol. A foto da direita mostra uma situação onde o intervalo para a dilatação não foi suficiente,
pois o aumento incomum de temperatura causado pela queima dos dormentes fez os trilhos torcerem.
Um exemplo de dilatação nos líquidos ocorre nos termômetros de mercúrio e
álcool.
Na figura 18 podemos ver a
dilatação do vapor de água
saindo de uma chaleira.
A expansão do vapor d'água foi
usada a partir do século 18 para a construção das máquinas a vapor,
conforme mostrado na figura 19. A foto da esquerda mostra um carro a
vapor construído em 1870 na Inglaterra e a da direita o funcionamento
interno da máquina.
Figura 19: Máquinas a vapor
As máquinas a vapor foram usadas na indústria e nos transportes. Até hoje existem trens usando máquina a vapor,
como na cidade de Tiradentes-MG. A foto abaixo mostra a "Maria Fumaça", expressão usada para denominar a
locomotiva a vapor.
Figura 22: Trem de ferro a vapor
V - O efeito da água na regulação do clima e da temperatura corporal.
A regulação térmica do clima da Terra
A Terra possui uma característica importante para a manutenção da vida
vegetal e animal: sua temperatura sofre variações relativamente pequenas entre
o dia e a noite. Nos outros planetas do nosso sistema solar isso não acontece,
as temperaturas oscilam muito, não permitindo a existência de vida. A presença
da água na Terra é o fator fundamental para evitar grandes variações de
temperatura, permitindo a estabilidade climática. A Terra possui quantidade de
água, cerca ¾ de sua superfície é coberta de água.
Para compreendermos a regulação térmica de nosso planeta duas propriedades
da água devem ser destacadas:


a grande quantidade de calor que a água requer para aumentar sua temperatura (calor específico alto).
a grande quantidade de calor que a água requer para evaporar (calor de vaporização alto).
A principal fonte de calor que aquece nosso planeta é o Sol. O calor
proveniente do Sol aquece durante o dia, tanto a água quanto a terra. Durante
a noite a terra esfria rapidamente enquanto a água demora a esfriar. A
combinação desses dois fatores contribui para que as variações de
temperatura na superfície da Terra sejam relativamente pequenas.
O alto calor de vaporização da água evita que ocorra muita evaporação
impedindo a formação de grandes regiões secas. O calor vindo do Sol é
responsável pela evaporação da água que forma as nuvens. As nuvens
produzem a chuva formando os rios e lagos. A evaporação dessa água
recomeça o processo, formando o chamado ciclo da água. Se o calor de
vaporização da água fosse baixo teríamos muita evaporação, com formação
de regiões com secas fortes e o nível dos rios, dos lagos e dos oceanos
mudaria rapidamente.
O vapor d'água tem outro papel importante na regulação térmica da Terra,
pois é um dos gases responsável pelo efeito estufa benéfico. Se não houvesse
atmosfera com vapor d'água para provocar o efeito estufa, a Terra teria uma
temperatura média de -18 ºC, isto é, seria muito fria. Devido ao efeito estufa a
temperatura média na Terra é de 15 ºC.
A regulação térmica do corpo humano
Os seres humanos se mantêm vivos pela energia dos alimentos, pela
água e pelo ar. Nas suas atividades diárias transformam a energia
proveniente dos alimentos, em movimento muscular e no aquecimento do
próprio corpo. 75% da energia ingerida é transformada em calor durante
um exercício físico. A maior parte do calor gerado pelo trabalho muscular
transfere-se para o sangue, provocando aumento de temperatura do
corpo. Se o organismo não tivesse meios eficazes para dissipar este calor,
um exercício de moderada intensidade bastaria para elevar a temperatura
corporal para valores mortais. O organismo então efetua a regulação da
temperatura do corpo.
À medida que vai sendo produzido calor, por trabalho muscular, durante o exercício, este transfere-se pela circulação
sangüínea, para todo o organismo, resultando num aumento da circulação sangüínea para a pele. Na pele o calor é
transferido para o ambiente. Se a dissipação não é suficiente, ocorre a transpiração, ou seja, o calor se dissipa
através do suor. Portanto, a água é um fator fundamental nesse processo de regulação térmica do corpo.
Quando o corpo está em ambientes quentes, ocorrem ajustamentos hormonais para manter a temperatura corporal.
Se muita água se perder sob a forma de suor, o sangue ficaria mais concentrado e diminuiria o seu volume. O corpo,
então, atua para manter a água no organismo e evitar desidratação ativando o mecanismo da sede. Este processo de
regulação ajuda a conservar a água do organismo e o volume sanguíneo. Daí a importância da água no organismo.
A água é o principal constituinte do corpo humano (entre 70% a 74%). Com o envelhecimento há uma tendência de
diminuir a retenção de água no corpo e por isso é importante para pessoas idosas tomar mais água. Assim, a água é
essencial para o funcionamento geral do organismo, participando de funções vitais como o controle de temperatura
do corpo.
Referências:
1) Física - Volumes 1, 2 e 3 - Antonio Máximo Ribeiro da Luz e Beatriz Alvarenga Álvares -1a Edição - 2005 Editora Scipione.
2) http://www.10emtudo.com.br/imprimir_artigo.asp?CodigoArtigo=28&tipo=artigo - homem primitivo e o fogo.
3) http://www.drashirleydecampos.com.br/noticias/2359 - O papel dos líquidos na regulação da temperatura Medicina Esportiva/Atividade Física.
4) http://www.olharvital.ufrj.br/2006/index.php?id_edicao=124&codigo=4 - Olhar Vital - Publicação eletrônica da
coordenadoria de comunicação da UFRJ - Água em excesso faz mal? (Anexo 1).
Anexo 1
Sueli Coelho da Silva Carneiro
Vice-chefe do serviço de Dermatologia do Hospital Universitário Clementino Fraga Filho
"Como todos sabemos, a ingestão regular de água é fundamental para a saúde do organismo, o que obviamente
inclui a pele - maior órgão do corpo humano. A quantidade necessária depende da temperatura do ambiente,
evaporação (suor), massa corporal, sexo e idade do indivíduo. A falta de água no organismo pode levar à
desidratação da pele, com aumento do pregueamento cutâneo e, em situações extremas, palidez e necrose (morte
de uma parte do tecido da pele). As consequências do excesso da ingestão de água não estão muito claras para
mim. O limite pode variar de acordo com o exposto na pesquisa.
Outros prejuízos da falta de hidratação na pele são o surgimento de rugas precocemente, mais profundas e em maior
quantidade, bem como manchas diversas. Apesar de muitas pessoas creditarem o aparecimento de espinhas
(etiopatogenia da acne) ao excesso de ingestão de gorduras e à falta de água, não existe uma relação clara entre
estes fatores. A pele saudável depende da saúde geral do indivíduo, da alimentação e dos hábitos de vida. Tomar sol
nos horários adequados, manter uma alimentação balanceada, praticar atividades ao ar livre, controlar o estresse e
beber líquidos regularmente são ações que colaboram para a saúde como um todo, e isto se reflete na aparência da
pele. A pele é o reflexo do estado do organismo.
A eliminação de toxinas prejudiciais ao organismo, que podem danificar a pele, acontece de diversas formas. Os
metabólitos, produtos tóxicos gerados pelo metabolismo (transformação) de diversas substâncias nos organismos
vivos, podem ser excretados pelos rins e eliminados pela urina, ou metabolizados pelo fígado e transformados em
metabólitos não tóxicos, ou excretados pelo tubo digestivo após metabolizados, ou ainda podem ser eliminados pelo
aparelho respiratório, saliva e suor. A engrenagem do organismo humano, como vemos, é bastante complexa, e sua
saúde depende da hidratação permanente. A eliminação dos metabólitos pela urina, por exemplo, acontece devido à
ingestão de água, bem como a excreção pelo tubo digestivo."
Módulo Didático: TEMPERATURA, CALOR E EQUILIBRIO TÉRMICO
Currículo Básico Comum - Ciências Ensino Fundamental
Autor(es): Arjuna C. Panzera e Dácio G. Moura
Centro de Referência Virtual do Professor - SEE-MG / março 2009