MIDIAFISICA
Edição Trilíngue
Produtores Executivos
Bennett Glotzer
Michael Glotzer
Judy Sharinger
April Fletcher
Trabalho de Estúdio Pós-Produção Fornecido por
Cataylst Post Services, Darin Kerby
Produzido & Dirigido por
Geoffrey Leighton
Compressão em DVD e Autoria
Enrique Londaits
Patricio Londaits
Soluciones DVD
Produtor Associado & Projeto Gráfico
Laurent Sanchiz
Produtora Associada e Diretora de Marketing e
Vendas
Monica Araujo
Produtor Associado
Joan Abend
Donell Massey
Consultores
Anderson Gomes
Andre Vilela
Escrito por
Brett Carroll
Direção Técnica
Dr. Jearl Walker
Brett Carroll
John Davis
Dr. Richard Berg
Tradução da Edição em Português
Regina Pinto de Carvalho
Revisão Técnica da Edição em Português
Lúcio Hora Acioli
Revisão da Edição em Português
Carlos Irineu da Costa
Diretor e Editor de Gravação das Narrações para a
Edição em Português
George Silva Castro
Narradores Brasileiros
Vera Nicaretta Machao
Phil Miler
Gilberto Romagnolo
Técnico de Som
Dave McLaughlin
Contabilidade da Produção
Owen & DeSalvo
As demonstrações nesta série foram fornecidas
pelo Departamento de Física da Universidade de
Washington
Agradecimentos Especiais a
Mark N. McDermott, Jefe Del/Chairman
Departamento de Física,
Universidade de Washington
Demonstrações adicionais fornecidas pelo
Departamento de Demonstrações em Física da
Universidade de Maryland
Esta produção foi possível graças ao
Dr. Gerhard Salinger e a Fundação Nacional de
Ciência
Nossos agradecimentos especiais ao Jearl Walker
por sua assistência durtante a produção desta série
Este material foi desenvolvido com base em trabalho
aprovado pela Fundação Nacional de Ciência sob a
Concessão #MDR-9150092
© 2014 Bennett Glotzer
Todos os Direitos Reservados. Nenhuma parte
desta publicação poderá ser reproduzida ou
transmitida de qualquer maneira ou modo,
eletrônico ou mecânico, incluindo fotocópia,
gravação, ou qualquer gravador de informação ou
sistema de reprodução, sem permissão por escrito
do publicador.
Pedido de autorização para reprodução de
qualquer parte da publicação deverá ser enviado
para: Bennett Glotzer, PO Box 1667, Los Angeles,
CA 90069
C
A P Í T U L O
L E I S
D A
T E R M O D I N Â M I C A
3 4
Demo
34-01
Dem. 34-01
Drill
and Dowel
Furadeira
e Pino / Sinopse
This demonstration illustrates the conversion of mechanical energy into heat.†
Esta demonstração ilustra a conversão de energia mecânica em calor*. Um pino
A wooden dowel is rotated using an electric drill while being pressed into a
de madeira gira encaixado em uma furadeira elétrica, enquanto é pressionado
block of wood. The heat created by the friction causes the wood to smoke, as
sobre uma tábua de madeira. O calor gerado pelo atrito faz a madeira fumegar,
seen in Figure 1.
como é visto na Figura 1.
Figura11
Figure
Referências
H-171, Fire
by Friction.
†* Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dem.
Demonstration
H-171,
Fire by Friction.
Freier
Anderson,
A Demonstration
Handbook
for Physics,
Dem.Demonstration
He-2, Fire Maker.
Freiere and
Anderson,
A Demonstration
Handbook
for Physics,
He-2, Fire Maker.
8
CH
a pA íPtTuEl Ro 33 44 : : LL Ae W
i sS
dOaF
TTeHr Em RoMd Oi nD âYmNi Ac M
a I C S
Dem. 34-01
Furadeira e Pino / Argumento
Todos nós já sentimos como as mãos ficam mais quentes quando as
esfregamos rapidamente uma contra a outra. Qualquer par de objetos atritados
um contra o outro gera calor; aqui está um destes pares de objetos - uma
tábua de madeira e um pino.
Se os friccionarmos desta maneira, não vai acontecer quase nada.
Vamos tentar usar mais velocidade e pressão.
Agora vemos claramente os efeitos do calor gerado pelo atrito entre objetos
que se movem.
Lista de Material
1. Tábua com alguns furos já iniciados, presa a um tampo de madeira.
2. Pino de madeira com aproximadamente 30 cm de comprimento, com uma ponta arredondada.
3. Pino pequeno de madeira, com uma ponta arredondada e diâmetro apropriado para se encaixar em uma furadeira.
4. Furadeira elétrica.
C
a p í t u l o
34:
L
e i s
d a
T
e r m o d i n â m i c a
9
Demo 34-02
Dem. 34-02
Mechanical Equivalent of Heat
Equivalente Mecânico do Calor / Sinopse
This demonstration illustrates the conversion of mechanical energy into heat.†
A mass
of lead shotilustra
is allowed
to fall from
one end
of a tube
the other
Esta
demonstração
a conversão
de energia
mecânica
emtocalor*.
Certaas
the tube is repeatedly
end.de
Each
tube isatéturned
over,
quantidade
de chumboturned
cai deend
umafor
ponta
um time
tubothe
fechado
a outra,
enquanto
o tubo
é virado
diversas
vezes.
Cada vez que
o tuboenergy
é virado,
o
the shot gains
potential
energy,
which
is converted
to kinetic
as the
chumbo
é convertida
energia
quando
shot fallsganha
to the energia
bottom potencial,
end of theque
tube,
and then toem
heat.
The cinética
heat creates
a
ele
e se transforma
calor na parte
do tubo.
calor using
gera um
rise cai
in temperature
thatem
is measured
usingdea baixo
thermistor
and Esse
displayed
a
aumento
é medido
porinum
termistor
bar graphna
oftemperatura,
light-emittingque
diodes,
as seen
Figure
1. e mostrado em um
dispositivo de LEDs em barra, como é visto na Figura 1.
Figure
Figura 11
Referências
† Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstration H-176, Mechanical Equivalent of
Heat—Shot Tube.
* Sutton,
Demonstration
in Physics,
Dem.for
H-176,
Mechanical
Equivalent
Heat –into
Shot
Freier and
Anderson, AExperiments
Demonstration
Handbook
Physics,
Demonstration
He-1,ofWork
Tube.
Heat.
Freier e Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem. He-1, Work into Heat.
10
C H A P T E R 3 4 : L AW S
Capítulo 34: Leis
O F
d a
THERMODYNAMICS
Termodinâmica
Dem. 34-02
Equivalente Mecânico do Calor / Argumento
Usaremos este tubo plástico, cheio de chumbo de espingarda, para mostrar
como a energia mecânica é transformada em energia térmica.
Inicialmente a temperatura do chumbo é de 21 graus Celsius.
Vamos exercer trabalho mecânico no chumbo, virando o tubo de um lado para
o outro.
Cada vez que viramos o tubo, o chumbo se eleva um metro, e depois cai para
o fundo do tubo. Vamos virar o tubo 10 vezes, para obter uma distância total
de elevação e queda de 10 metros. O chumbo agora está a 21,5 graus Celsius.
A energia mecânica do levantamento foi transformada em energia térmica,
aumentando a temperatura do chumbo.
Lista de Material
1. Tubo de plástico transparente, medindo 1 metro, com chumbo, e com as duas pontas fechadas
– uma delas tem um termistor sensível preso a ela.
2. Eletrônica adequada e leitor de LEDs para o termistor.
C
a p í t u l o
34:
L
e i s
d a
T
e r m o d i n â m i c a
11
Demo 34-03
Dem. 34-03
CO2 Expansion Cooling
Esfriamento do CO2 por Expansão / Sinopse
Carbon dioxide cools when it evaporates and expands as it emerges from a
† de carbono esfria, como quando emerge de
Ao
evaporar
e expandir,
o dióxido
In this video the cooled carbon dioxide is
carbon
dioxide
fire extinguisher.
um
extintor
de
incêndio*.
Neste
vídeo,
o dióxido
de carbono
esfriado é usado
used to freeze water in a test tube, as shown
in Figure
1.
para gelar água em um tubo de ensaio, como é mostrado na Figura 1.
Figura 1
Figure 1
Referências
† Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstration H-65, Carbon Dioxide Snow.
* Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dem. H-65, Carbon Dioxide Snow.
12
C H A P T E R 3 4 : L AW S
Capítulo 34: Leis
O F
d a
T
THERMODYNAMICS
e r m o d i n â m i c a
Dem. 34-03
Esfriamento do CO2 por Expansão / Argumento
Este tipo de extintor de incêndio contém dióxido de carbono a alta pressão.
Quando a válvula é aberta, o dióxido de carbono escapa, e a pressão cai, até
atingir a pressão atmosférica normal.
Ao se expandir, o dióxido de carbono esfria tanto que congela a água num
tubo de ensaio.
Lista de Material
1. Extintor de incêndio de CO2.
2. Tubo de ensaio, com água.
3. Suporte para o tubo de ensaio.
C
a p í t u l o
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e i s
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e r m o d i n â m i c a
13
Dem. 34-04
Expansão Adiabática / Sinopse
Esta demonstração ilustra a expansão adiabática e o resfriamento do ar,
assim como a formação de névoa devido ao esfriamento do ar abaixo do seu
ponto de orvalho*. Bombeia-se ar para dentro de uma garrafa, parcialmente
cheia com água, até que a pressão faça saltar uma rolha do alto da garrafa. O
esfriamento adiabático, resultante da rápida expansão do ar, cria uma névoa,
que fica logo visível dentro da garrafa. Simultaneamente, a temperatura do ar
na garrafa é monitorada por um termistor ligado a um computador e mostrada
em superposição com a montagem experimental, como é visto na Figura 1.
T
E
M
P
E
R
A
T
U
R
A
TEMPO (s)
Figura 1
Referências
* Freier e Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem. Hg-3, Clement’s and Desorme’s
Experiment.
14
C
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Dem. 34-04
Expansão Adiabática / Argumento
Você já pensou porque aparece névoa na boca de uma garrafa de refrigerante,
quando ela é aberta?
Eis uma outra demonstração deste efeito.
Uma garrafa tampada contém ar e um pouquinho de água no fundo.
Se bombearmos ar para dentro da garrafa, a pressão vai aumentar, até que a
rolha escape.
Esta expansão súbita do ar, conhecida como expansão adiabática, consome
energia rápido demais para que a energia térmica possa ser trazida do exterior
do recipiente.
Portanto, o ar usa sua própria energia térmica para a expansão, e então esfria.
Montamos um termistor dentro da garrafa para medir a temperatura do ar.
Quando a pressão aumenta, a temperatura do ar dentro da garrafa aumenta.
Quando a rolha escapa, o ar na garrafa se expande, fazendo com que a
temperatura interior caia rapidamente. Quando a temperatura cai abaixo do
ponto de orvalho, forma-se a névoa.
Lista de Material
1. Garrafa de refrigerante gasoso.
2. Abridor de garrafas.
3. Garrafa transparente de 1 galão, com um pouco de água, e com um termistor suspenso no
meio de sua altura.
4. Rolha de borracha apropriada, completa, com um tubo de penetração e tubulação plástica.
5. Bomba de bicicleta.
C
a p í t u l o
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Demo 34-05
Dem. 34-05
Fire Syringe
Cilindro Incendiário / Sinopse
A fire syringe consists of a small tube with a plunger sealed by O-rings, which
can
be useddetofogo”
rapidly
compress
thetubo,
air incom
the um
tube,
raisingvedado
its temperature
A “seringa
é um
pequeno
êmbolo
por anéis de
†
The airpode
risescomprimir
above the rapidamente
kindling temperature
for cotton
wool, so
adiabatically.
borracha; o êmbolo
o ar no tubo,
aumentando
aadiabaticamente
small piece of cotton
wool
can
be
set
on
fire
by
the
hot
compressed
air, asdo
sua temperatura*. A temperatura do ar no tubo sobe acima
seen
Figure
1. do algodão, e um chumaço de algodão pode ser queimado
pontoinde
ignição
pelo ar comprimido quente, como é visto na Figura 1.
Figura 1
Figure 1
† Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstration H-179, Heating by
Compression—Fire Syringe.
Referências
Freier and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Demonstration He-5, Match
Lighter.Demonstration Experiments in Physics, Dem. H-179, Heating by Compression – Fire Syringe.
* Sutton,
Freier e Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem. He-5, Match Lighter.
16
C H A P T E R 3 4 : L AW S
Capítulo 34: Leis
O F
d a
THERMODYNAMICS
Termodinâmica
Dem. 34-05
Cilindro Incendiário / Argumento
Uma bomba de bicicleta esquenta quando é acionada. Quando um gás é
comprimido rapidamente, ele esquenta. Usaremos esta montagem para mostrar
o aquecimento devido à compressão.
Coloca-se um chumaço de algodão na base deste cilindro de vidro espesso e,
sobre ele, um pistão que entra bem justo.
Quando o gás é comprimido, empurrando o pistão rapidamente para baixo, o
algodão pega fogo.
Aqui vemos a ação repetida em câmera lenta.
Lista de Material
1.
2.
3.
4.
5.
C
Bomba de bicicleta.
Pneu de bicicleta.
“Seringa de fogo”.
Algodão.
Vareta de arame.
a p í t u l o
34:
L
e i s
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17
Demo 34-06
Dem. 34-06
Stirling Engine
Máquina de Stirling / Sinopse
A Stirling engine operates using a system known as the Stirling heat cycle.†
Operation
small model
Stirling
engine
is shownciclo
in the
video.de
The
excelA máquinaofdea Stirling
funciona
usando
o chamado
térmico
Stirling*.
lent
graphics,
from
which Figure
is taken,pequeno
follow the
operation
of theA
O vídeo
mostra
a operação
de um1 modelo
daactual
máquina
de Stirling.
engine
to
show
clearly
how
the
device
functions.
excelente animação gráfica, da qual é tirada a Figura 1, segue a operação da
máquina para mostrar claramente seu funcionamento.
Figura 1
Figure 1
† Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstration H-182, Models.
Referências
Freier and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Demonstration Hn-4, Stirling Hot
Air Engine.
* Sutton,
Demonstration Experiments in Physics, Dem. H-182, Models.
Freier e Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem. Hn-4, Stirling Hot Air Engine.
C H A P T E R 3 4 : L AW S O F T H E R M O D Y N A M I C S
18
C
a p í t u l o
34:
L
e i s
d a
T
e r m o d i n â m i c a
Dem. 34-06
Máquina de Stirling / Argumento
A máquina de combustão interna é o dispositivo mais conhecido para
transformar energia química em energia de movimento.
Mas existe outra máquina muito mais simples, que pode funcionar com o calor
gerado pela queima de combustível. Esta máquina de Stirling usa combustão
externa para transformar energia térmica em trabalho.
Esta animação mostra como funciona a máquina de Stirling.
Estes dois cilindros estão conectados por um tubo fino. Este pistão pode se
deslocar com folga dentro deste cilindro. Este outro é o pistão de potência,
que desliza bem justo dentro deste cilindro.
Quando acendemos uma chama em torno do cilindro de baixo, o ar se
expande em torno do cilindro mais frouxo, e empurra de volta o pistão de
potência.
O pistão frouxo se move então para frente, deslocando o ar para longe da
chama, até esta parte do cilindro, onde ele esfria e se contrai. O pistão de
potência se move para trás, o pistão frouxo empurra o ar mais frio de volta
para perto da chama, e o ciclo recomeça.
Lista de Material
1. Máquina de Stirling, disponível comercialmente.
2. Combustível para a máquina.
3. Fósforos ou similar.
C
a p í t u l o
34:
L
e i s
d a
T
e r m o d i n â m i c a
19
Dem. 34-07
Demo 34-07
Máquina de Herão / Sinopse
Hero’s Engine
A máquina de Herão funciona da mesma forma que um irrigador de jardim,
A
Hero’svapor
engine
likedea água
waterfervente
sprinkler,
using
steam
from a boiling
usando
deoperates
um banho
para
girar
um sistema
formado
water
bath
to
rotate
a
flask
and
nozzle
system,
illustrating
the
principle
of
por um frasco com tampa giratória. Assim é ilustrado o princípio de ação
†
The system
usedé in the
action
and
reactiona as
to giratório”*.
a “rotationalOrocket.”
e reação
aplicado
umapplied
“foguete
sistema usado
no vídeo
video
is
shown
in
Figure
1.
mostrado na Figura 1.
Figura 1
Figure 1
Referências
Anderson,
A Demonstration
Handbook
forfor
Physics,
Dem.
Hn-5, Hero’sHn-5,
Engine.
†* Freier eand
Anderson,
A Demonstration
Handbook
Physics,
Demonstration
Hero’s
Engine.
20
Capítulo 34: Leis
C H A P T E R 3 4 : L AW S
d a
O F
Termodinâmica
THERMODYNAM
I C S
Dem. 34-07
Máquina de Herão / Argumento
Este recipiente de vidro com dois braços laterais gira livremente no seu
suporte. Usando uma chama, esquentamos até a fervura um pouco de água,
que está no fundo do recipiente.
Quando a água ferve, o vapor que sai pelos braços faz girar o recipiente.
Lista de Material
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
C
Máquina de Herão, de vidro.
Suporte para a máquina.
Água.
Bico de gás.
Tubulação de borracha.
Gás natural.
Fósforos ou similar.
a p í t u l o
34:
L
e i s
d a
T
e r m o d i n â m i c a
21
Demo
34-08
Cork Popper/ Sinopse
Dem. 34-08Saca-Rolhas
This demonstração
demonstrationilustra
illustrates
the conversion
of mechanical
energy
heat.†
Esta
a conversão
de energia
mecânica em
calor*.toUm
Heat from fechado,
friction, between
corked
waterduas
and peças
two
recipiente
com rolhaa erotating
contendo
água,container
é atritadoofcontra
pieces
of wood
whichem
aretorno
squeezed
around the
waterdo
container,
the
de
madeira,
apertadas
do recipiente.
O calor
atrito fazboils
a água
water,
as
shown
in
the
graphics
of
Figure
1,
This
boiling
creates
steam
that
ferver, como é mostrado na Figura 1. A ebulição cria vapor, que faz a rolha
blowsdo
therecipiente.
cork off the
water container.
The heat
energy is thusem
transformed
saltar
Portanto,
a energia térmica
é transformada
energia
into kinetic
energy
the flying cork.
cinética
da rolha
queofsalta.
Figura11
Figure
Referências
* Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dem. H-169, Heat from Friction.
† Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstration H-169, Heat from Friction.
22
Capítulo 34: Leis
C H A P T E R 3 4 : L AW S
d a
O F
T
e r m o d i n â m i c a
THERMODYNAMICS
Dem. 34-08
Saca-Rolhas / Argumento
Usaremos este dispositivo para mostrar a conversão da energia mecânica em
calor e depois novamente em energia mecânica.
Este cilindro oco gira entre dois braços de madeira que podem ser
pressionados contra o metal.
Coloca-se um pouco de água dentro do cilindro, e em seguida aperta-se
fortemente uma rolha no topo.
Liga-se o motor e os braços são pressionados contra o cilindro que gira.
O atrito entre o cilindro e os braços aquece a água e a transforma em vapor a
alta pressão.
A energia térmica do vapor lança a rolha no ar.
Lista de Material
Saca-rolhas construído especialmente para a demonstração.
C
a p í t u l o
34:
L
e i s
d a
T
e r m o d i n â m i c a
23
C
A P Í T U L O
MUD A NÇA S
DE
3 5
FASE
Dem. 35-01
Demo
35-01
Nitrogênio
Líquido
num Balão / Sinopse
Liquid
Nitrogen
in Balloon
Coloca-se
uma pequena
nitrogênio
um recipiente,
A
small amount
of liquidquantidade
nitrogen is de
poured
into a líquido
flask, toem
which
a balloon
que
é a seguir
com umvaporizes
balão. Quando
o nitrogênio
ele to
se
is
sealed.
As thetampado
liquid nitrogen
it expands,
causingvaporiza,
the balloon
†
expande,and
enchendo
e estourando
o balão*.
Esta demonstração,
ilustrada
demonstration,
illustrated
in Figure 1, shows
thenaenorexpand
break. This
Figuraincrease
1, mostra
enormewhen
aumento
de volume
quando
umgaseous
líquido state.
evapora e
mous
in ovolume
a liquid
evaporates
into its
passa a seu estado gasoso.
Figura11
Figure
Referências
† Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstration H-112, Volume Change by
* Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dem. H-112, Volume Change by Evaporation.
Evaporation.
26
CH
a p í t u l o 3 5 : M u d a n ç a s d e F a
C
A P T E R 3 5 : P H A S E C H A N G E S
s e
Dem. 35-01
Nitrogênio Líquido num Balão / Argumento
Esta demonstração mostra o aumento de volume que ocorre quando um
líquido se transforma em gás. Vamos colocar um pouco de nitrogênio líquido
num recipiente e tampar o recipiente com um balão.
Quando o nitrogênio evapora, o gás ocupa um volume muito maior que o
líquido.
O balão pode até estourar.
Lista de Material
1.
2.
3.
4.
C
Balão volumétrico, de pirex, preso a uma base.
Nitrogênio líquido.
Luvas.
Rolha com orifício, com um balão acoplado ao lado mais largo. É necessária uma vedação, por
isso pode ser preciso fixar o balão com elástico ou fio.
a p í t u l o
35:
M
u d a n ç a s
d e
F
a s e
27
Demo
35-02
Dem. 35-02
Boil Water
Pressure
Ebulição
daUnder
Água aReduced
Baixa Pressão
/ Sinopse
Water is boiled
in um
a beaker,
and the
beaker
is sealed
a cork
a
Ferve-se
água em
recipiente,
e em
seguida
este é with
fechado
comcontaining
uma
thermometer.
thetermômetro
heat is removed
andaice
placed on the
beaker,
rolha
que tem Ifum
acoplado
ela.isRemovendo
a fonte
de some
calor eof
the
vapor
will
condense,
reducing
the
pressure
in
the
beaker
and
causing
the
colocando gelo sobre o recipiente, parte do vapor irá se condensar, reduzindo
†
videoreduzidas*.
this boiling
to boil
at a ereduced
and
pressure. Inethe
awater
pressão
interna
fazendotemperature
a água ferver
a temperatura
pressão
at low
pressure
continues
at water
temperatures
as temperaturas
low as 80°C, da
as shown
No
vídeo,
a ebulição
a baixa
pressão
continua com
água dein
Figure
1. como é mostrado na Figura 1.
até
80ºC,
Figura11
Figure
Referências
† Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstration H-75, Boiling Water at Reduced
Pressure.
* Sutton,
Demonstration Experiments in Physics, Dem. H-75, Boiling Water at reduced Pressure.
Freiere and
Anderson,
A Demonstration
Handbook
for Physics,
Boiling by
Freier
Anderson,
A Demonstration
Handbook
for Physics,
Dem.Demonstration
Hj-4, Boiling byHj-4,
Cooling.
Cooling.
28
C
C
a p í t u l o
H A P T E R
35: Mudanças
35: PHASE CH
d e
F
a s e
A N G E S
Dem. 35-02
Ebulição da Água a Baixa Pressão / Argumento
Normalmente, a água ferve a 100 graus Celsius, mas, mudando a pressão do ar
sobre a água, muda-se a temperatura necessária para fervê-la.
À pressão atmosférica normal, a água neste recipiente está fervendo a 100
graus Celsius. O vapor de água empurra a maior parte do ar para fora do
recipiente.
Depois de tamparmos o recipiente com uma rolha e um termômetro, vamos
esfriar o vapor usando gelo, para que a pressão interior fique abaixo da
pressão atmosférica.
Agora a temperatura da água está abaixo de 80 graus Celsius, mas a água
ainda está fervendo, devido à baixa pressão no recipiente.
Lista de Material
1. Balão volumétrico que foi modificado, criando uma reentrância funda na base.
2. Suporte anelar e presilhas.
3. Água.
4. Bico de gás.
5. Tubulação de borracha.
6. Gás natural.
7. Fósforos ou similar.
8. Rolha de borracha, com termômetro acoplado.
9. Gelo.
10.Luvas.
C
a p í t u l o
35:
M
u d a n ç a s
d e
F
a s e
29
Demo 35-03
Dem. 35-03
CO2 Critical Point
Ponto Crítico do CO2 / Sinopse
In this very beautiful demonstration the boundary between the liquid and the
Nesta bonita demonstração, pode-se observar claramente o desaparecimento
gaseous state is clearly shown as the temperature of carbon dioxide passes
da fronteira entre os estados líquido e gasoso, quando a temperatura do
through the critical point.† Below the critical point the liquid and the gaseous
dióxido de carbono passa pelo seu ponto crítico*. Abaixo do ponto crítico, os
states are clearly defined. Above the critical point the two states fuse, and the
estados líquido e gasoso são claramente definidos. Acima do ponto crítico, os
boundary between liquid and gas disappears. Figure 1 shows the situation
dois estados se fundem e desaparece a fronteira entre líquido e gás. A Figura
when the carbon dioxide is near its critical point, so the boundary is still par1 mostra a situação quando o dióxido de carbono está próximo do seu ponto
tially visible. Note that the critical point is about 73 atmospheres at 31.6°C, so
crítico e a fronteira ainda é parcialmente visível. Note que o ponto crítico é
this experiment is potentially very dangerous, and should not be duplicated
cerca de 73 atmosferas a 31,6ºC. Portanto, este experimento é potencialmente
without
thorough
research.
muito perigoso,
não
devendo ser repetido sem preparação cuidadosa.
Figura11
Figure
Referências
H-90, Critical
Temperature.
†* Sutton,
Sutton, Demonstration
DemonstrationExperiments
Experimentsin
inPhysics,
Physics,Dem.
Demonstration
H-90,
Critical Temperature.
Freier
Anderson,
A Demonstration
Handbook
for Physics,
Dem.Demonstration
Hk-6, CriticalHk-6,
Point Critical
of Carbon
Freiere and
Anderson,
A Demonstration
Handbook
for Physics,
Dioxide.
Point of Carbon Dioxide.
30
CH
a pA í Pt Tu El R
o 33 5
5 :: PMHu Ad Sa En çCa Hs A dNeG EF Sa
C
s e
Dem. 35-03
Ponto Crítico do CO2 / Argumento
Este tubo de vidro contém dióxido de carbono no estado líquido. O dióxido
de carbono tem um ponto crítico, no qual ele pode existir tanto como gás
quanto como líquido. Este ponto crítico só é alcançado a enormes pressões e
numa temperatura pouco acima da ambiente.
A pressão de aproximadamente 80 atmosferas dentro do tubo é suficiente para
atingir o ponto crítico.
Vamos aquecer lentamente o tubo com um secador de cabelos, e observar o
menisco do líquido quando nos aproximamos do ponto crítico.
O CO2 líquido está se aproximando do ponto crítico, e ferve um pouco.
Quando o ponto crítico é alcançado, o menisco do líquido perde a nitidez. Os
estados líquido e gasoso estão em equilíbrio.
Quando a temperatura aumenta, o CO2 passa completamente para o estado
gasoso.
Deixando o tubo esfriar, o menisco reaparece gradualmente, quando nos
aproximamos do ponto crítico a partir de temperaturas mais altas.
Lista de Material
1. Tubo de vidro, de paredes espessas, contendo dióxido de carbono líquido, à pressão de 80
atmosferas.
2. Base para o tubo.
3. Secador de cabelos.
C
a p í t u l o
35:
M
u d a n ç a s
d e
F
a s e
31
Demo 35-04
Dem. 35-04
Drinking Bird
Passarinho que Bebe / Sinopse
The famous toy drinking bird, shown using graphics from the video in Figure
Nouses
famoso
brinquedo
que bebe”,
usam-se
as mudanças
de
1,
changes
of state“passarinho
to create motion
as it bobs
its head
into a container
of
estadoand
paraappears
criar movimento,
quando
pássarothe
mergulha
sua cabeça
liquido inside
bird is some
type ofem
freon,
water
to drink.† The
um recipiente
com tri-chloro
água e parece
beber*.
Umits
quadro
ilustrativo,
often
mono-fluoro
methane,
under
own vapor
(withtirado
no airda
in the
animaçãoIfdo
mostrado
na Figura
1. O líquido
dentroofdo
pássaro
é
system).
thevídeo,
bird’s éhead
is dunked
into water,
evaporation
water
on the
um tipo
fréon,
monofluorotriclorometano,
no seusimultaneously
próprio vapor
wet
headde
cools
thegeralmente
liquid inside,
causing it to condense, while
(sementering
ar no sistema).
a cabeça
do pássaro
é mergulhada
na the
água,
a
heat
the tail Quando
evaporates
the liquid
in the bulb
at the tail of
bird.
evaporação
água na in
cabeça
molhada
esfria
o gás
fazendo
The
pressurededecreases
the head
relative
to the
tailinterior,
allow the
liquidcom
to rise,
que ele the
se condense,
enquanto,
ao mesmo
tempo,
calorback
externo
causing
bird to become
unbalanced.
The
liquidoflows
intoevapora
the bottom
o líquido
no bulbo
da cauda. A queda de pressão na cabeça com relação à
bulb
and the
cycle repeats.
cauda faz o líquido subir, e o pássaro fica desequilibrado. O líquido flui de
volta para o bulbo e o ciclo recomeça.
Figura11
Figure
†Referências
Freier and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Demonstration Hj-7, Drinking
Bird.
* Freier e Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem. Hj-7, Drinking Bird.
32
CHAPTER 35: PHASE CHA
Capítulo 35: Mudanças
N G E S
d e
F
a s e
Dem. 35-04
Passarinho que Bebe / Argumento
Este brinquedo, chamado passarinho que bebe, vai se inclinar repetidamente e
“beber”, enquanto houver água no pires.
A evaporação da água na cabeça do passarinho esfria o vapor dentro da
cabeça, condensando um pouco do vapor para líquido e abaixando a pressão
na cabeça.
A diferença de pressão entre a cabeça e a cauda força o líquido para cima pelo
tubo central.
O líquido que sobe desequilibra o passarinho e o inclina para baixo, o que
esvazia o tubo e recomeça o ciclo.
Lista de Material
1. Pássaro que bebe.
2. Água.
3. Pequeno suporte ajustável.
C
a p í t u l o
35:
M
u d a n ç a s
d e
F
a s e
33
Demo 35-05
Dem. 35-05
Freezing by Boiling
Congelamento pela Fervura / Sinopse
When the atmospheric pressure is greatly reduced above a small sample of
†
water
using asobre
vacuum
waterfor
begins
to boil,
as shown
in Figure
1.‡
Se a pressão
um pump,
pouco the
de água
bastante
reduzida
com uma
bomba
The
evaporation
the water
boiled off
requires
heat, which
is provided
de vácuo,
a água of
começará
a ferver*,
como
é mostrado
na Figura
1**. A by
the
remaining
water
bath,
so
the
water
bath
cools
and
eventually
freezes.
evaporação da água que ferve requer calor, que é fornecido pelo resto
da
água; então, a água do recipiente esfria e, eventualmente, congela.
Figura11
Figure
Referências
† Freier and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Demonstration Hj-3, Boiling at
* Reduced
Freier e Anderson,
Pressure. A Demonstration Handbook for Physics, Dem. Hj-3, Boiling at Reduced Pressure.
‡ Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstrations H-69, Freezing Water by
**Evaporation—The
Sutton, Demonstration
Physics, Dems. H-69, Freezing Water by Evaporation- The
TripleExperiments
Point, and in
H-70.
triple Point, e H-70.
34
CHAPTER 35: PHASE CHANGES
Capítulo 35: Mudanças de Fa
s e
Dem. 35-05
Congelamento pela Fervura / Argumento
Normalmente a água ferve a 100 graus Celsius e congela a 0 graus Celsius. Mas
isso só é verdade à pressão atmosférica. Se reduzirmos bastante a pressão, a
água pode tanto ferver como congelar próximo de 0 graus Celsius.
Vamos colocar água na depressão que existe no topo deste suporte de vidro
e colocar o suporte sob uma câmara de vácuo. Removendo o ar da câmara, a
água começa imediatamente a ferver. Quando a água ferve, ela perde energia
térmica e esfria.
Quando a água fervendo atinge 0 graus Celsius, ela congela rapidamente.
Lista de Material
1. Placa de Petri, com um vidro de relógio de diâmetro menor que o da placa suspenso sobre ela.
A placa contém ácido (para proteger a bomba e acelerar a demonstração) e o vidro de relógio
contém água e algumas esferinhas para se visualizar a fervura.
2. Ácido sulfúrico concentrado.
3. Água – agitar antes de usar.
4. Base para bombeamento.
5. Graxa de vácuo.
6. Campânula.
7. Tubulação de vácuo.
8. Bomba de vácuo.
C
a p í t u l o
35:
M
u d a n ç a s
d e
F
a s e
35
Dem. 35-06
Demo
35-06
Crióforo
/ Sinopse
Cryophorus
Um
crióforo é is
uma glass
tubo de
vidro
bulbos
nas end
pontas
pouco
de água
A cryophorus
tube
withcom
bulbs
on each
ande aum
small
amount
of
dentro,
sob seu
vapor,
quenoestá
bulbo
de cima
noupper
tubo)*.
water, under
its próprio
own vapor
(with
air no
in the
tube),
which(sem
is inarthe
†
Se
o bulbo
baixobulb
for is
colocado
ema um
recipiente
contendo
nitrogênio
If thede
lower
placed in
container
of liquid
nitrogen,
some of the
bulb.
líquido,
partewill
do condense
vapor de água
vai se condensar
e gelar,
abaixando
a pressão
water vapor
and freeze,
lowering the
pressure
in the tube.
This
no
tubo.additional
Isso provoca
vaporização
de um
água
que coolcauses
watera to
vaporize from
thepouco
waterda
pool
in restante,
the top bulb,
sobe
para
o bulbo
superior. Com
a vaporização,
água
que in
resta
se esfria
e,
ing the
water
and eventually
causing
it to freeze,aas
shown
Figure
1, thus
eventualmente,
congela,
como é mostrado na Figura 1, ilustrando assim o
illustrating cooling
by evaporation.
resfriamento por evaporação.
Figura 11
Figure
Referências
† Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Demonstration H-67, Cooling by Expansion—
* Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dem. H-67, Cooling by Expansion - Cryophorus.
Cryophorus.
Freier e Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem. Hj-8, Cryophorus..
Freier and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Demonstration Hj-8, Cryophorus.
36
C
C aH pAí Pt Tu El Ro 33 55 :: PMHu Ad SaEn çCa Hs A dN eG EFSa
s e
Dem. 35-06
Crióforo / Argumento
Este crióforo consiste de dois bulbos de vidro conectados por um tubo oco.
Os bulbos estão a baixa pressão e contêm um pouco de água. Quando o
bulbo inferior é imerso em nitrogênio líquido, o vapor de água condensa no
bulbo inferior, e abaixa ainda mais a pressão no crióforo.
Quando a pressão é suficientemente baixa, a água no bulbo superior gela.
Lista de Material
1. Crióforo.
2. Béquer grande, de pirex.
3. Dewar com nitrogênio líquido.
C
a p í t u l o
35:
M
u d a n ç a s
d e
F
a s e
37
Dem. 35-07
Demo
35-07
Bomba
de Gelo / Sinopse
Ice Bomb
†
A thickThe
ice bomb
demonstrates
expansion
water
as it freezes.
A
bomba
de gelo
demonstra the
a expansão
da of
água
quando
gela*. Uma
esfera
walled
iron sphere
is filledgrossas,
with water,
tightly
sealed,
and placed
in a liquid e
oca
de ferro,
com paredes
é cheia
de água,
fechada
hermeticamente
nitrogen bath.
After
about
minute the
water Depois
freezes,de
concomitantly
colocada
em um
banho
de anitrogênio
líquido.
cerca de um expandminuto,
andgela,
breaking
the iron sphere,
as shown
in Figure
1. como é mostrado
aing
água
expandindo-se
e quebrando
a esfera
de ferro,
na Figura 1.
Figura11
Figure
Referências
* Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dem. H-56, Expansion on Freezing.
Freier
e Anderson,
A Demonstration
forDemonstration
Physics, Dem. H-56,
Hk-5, Expansion
Ice Bomb. on Freezing.
† Sutton,
Demonstration
ExperimentsHandbook
in Physics,
Freier and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Demonstration Hk-5, Ice Bomb.
38
Capítulo 35: Mudanças de Fa
CHAPTER 35: PHASE CHANGES
s e
Dem. 35-07
Bomba de Gelo / Argumento
Usaremos a pressão gerada pela água que congela para quebrar este recipiente
grosso de ferro.
Primeiro enchemos o recipiente com água.
Uma tampa é então enroscada nele fortemente, e o recipiente é colocado num
banho de nitrogênio líquido.
Alguns minutos mais tarde, o recipiente explode.
As paredes grossas de ferro não suportaram a tremenda pressão gerada pela
água quando ela congelou.
Esta animação mostra a pressão na superfície interior do recipiente, gerada
pela água ao congelar.
Lista de Material
1. Bomba de gelo.
2. Água (funciona melhor se for desgaseificada por fervura, mas será necessária uma proteção
mais forte contra o estouro).
3. Chave inglesa.
4. Caixa de leite de 1 litro, vazia, com a tampa removida.
5. Lata de tinta de 20 litros, de paredes grossas, vazia.
6. Nitrogênio líquido.
7. Tábua grossa e larga, para cobrir a lata.
8. Dois tijolos de chumbo ou peso similar, para manter a tábua sobre a lata.
C
a p í t u l o
35:
M
u d a n ç a s
d e
F
a s e
39
Demo
35-08
Dem. 35-08
Regelation
Recongelamento / Sinopse
A wire with weights on each end is hung over an ice cube. If the pressure on
Pendura-se sobre um cubo de gelo um fio que tem as pontas unidas e um
the ice is raised to a high enough value the melting point of the ice will be
peso pendurado a elas. Se a pressão sobre o gelo atingir um valor bastante
reduced, and the ice will melt.† This phenomenon offers a partial explanation
alto, o ponto de fusão do gelo será reduzido, e o gelo derreterá*. Este
for the motion of glaciers, and has been applied erroneously to the reduction
fenômeno explica parcialmente
o movimento de geleiras, e tem sido aplicado
‡
In
the process
of regelation,
as demin
friction
during
ice
skating.
erroneamente à redução do atritofact,
durante
a patinação
no gelo**. even
De fato,
††
onstrated
this
simple experiment,
turns
to be rather
complicated,
o processoinde
recongelamento,
mesmo
se out
demonstrado
neste
experimentoand
the
phenomenon
very strongly
affected by
details ofé the
experiment.
simples,
vem a serisbastante
complicado***,
e othe
fenômeno
fortemente
afetado
pelos detalhes do experimento.
Figura11
Figure
Referências
† Freier and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Demonstration Hk-4,
* Freier
e Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem. Hk-4, Regelation.
Regelation.
**‡ R.
W.
onon
Ice,
Am.
J. Sci.
41,41,
30-33
(1891).
R. W.Wood,
Wood,Jr.,
Jr.,Effect
EffectofofPressure
Pressure
Ice,
Am.
J. Sci.
30-33
(1891).
Michael
D. Edminston,
Freezing
Points
(Letter
to the
Editor),
Phys.
Teach.
28, 28,
260 260
(1990).
Michael
D. Edmiston,
Freezing
Points
(Letter
to the
Editor),
Phys.
Teach.
(1990).
***
Mark W.
W. Zemansky,
Zemansky, The
The Regelation
†† Mark
Regelation of
ofIce
IceisisaaComplicated
ComplicatedPhenomenon,
Phenomenon,Phys.
Phys.Teach.
Teach.3,3,301302301-302
(1990). (1965).
40
CC Ha
p
A íPtTuEl Ro
33 55 :: PMHuAdSaEn çCaHs A dN eG EF Sa
s e
Dem. 35-08
Recongelamento / Argumento
Sob certas condições, o gelo pode fundir, mesmo quando sua temperatura
permanece em zero graus Celsius ou menos.
Vamos passar sobre este bloco de gelo um fio fino, com um objeto pesado na
ponta.
A pressão do fio faz o bloco fundir logo abaixo do fio, e este afunda
lentamente no bloco.
Depois que o fio passa, o gelo recongela por cima dele.
Quando o fio tiver atravessado completamente, temos o bloco de novo inteiro.
Lista de Material
1. Bloco de gelo.
2. Laçada de fio de aço inoxidável (quanto mais fino, melhor), com as duas pontas atadas a um
anel metálico.
3. Suporte para o gelo.
4. Tapete e bacia para aparar o peso e a água.
5. Objeto pesado.
C
a p í t u l o
35:
M
u d a n ç a s
d e
F
a s e
41
Dem. 35-09
Demo 35-09
Hélio e CO2 em Nitrogênio Líquido / Sinopse
Helium and CO2 Balloons in Liquid Nitrogen
Esta experiência ilustra a variação do volume de um gás devido a mudanças
de temperatura*,
e a mudança
estado
gás, quando
pela suain
This
experiment illustrates
the no
change
in do
volume
of a gasele
duepassa
to changes
†
temperatura deand
transição.
Enchem-se
comtemthe change
in state dois
of a balões,
gas as itrespectivamente,
passes its transition
temperature,
gases de hélio
e dióxidoare
de filled
carbono.
A seguir,with
eles helium
são mergulhados
perature.
Two balloons
respectively
and carbonem
dioxide
um recipiente
líquido.
se pode
observar
novideo
vídeo,demono
gases,
and are com
thennitrogênio
dipped into
a poolComo
of liquid
nitrogen.
As the
resfriamento
do
gás
leva
à
redução
no
volume
do
hélio,
encolhendo
o
balão.
strates, the cooling of the gas leads to reduction in the volume of the helium
O dióxido
de carbono
encolhe
depoisdioxide
se condensa
emthen
gelocondenses
seco, comotoé
gas,
shrinking
the balloon.
The ecarbon
shrinks,
mostrado
na
Figura
1.
form dry ice, as shown in Figure 1.
Figura11
Figure
Referências
42
* Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dem. M-328, Gas-filled Balloons.
Freier e Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Dem. Hk-3, Change in Volume with
†Change
Sutton,ofDemonstration
Experiments in Physics, Demonstration M-328, Gas-filled Balloons.
State.
Freier and Anderson, A Demonstration Handbook for Physics, Demonsteration Hk-3, Change in
Volume with Change of State.
C
a p í t u l o
CHAPTER
35:
M
35:
PHASE
u d a n ç a s
d e
F
a s e
CHANGES
Dem. 35-09
Hélio e CO2 em Nitrogênio Líquido / Argumento
Usaremos estes dois balões para ilustrar o conceito de mudança de fase.
Este balão contém gás hélio: se for colocado em nitrogênio líquido, que tem
uma temperatura muito baixa, o balão encolhe, mas o hélio continua gasoso.
Este balão contém dióxido de carbono. Quando é colocado no nitrogênio
líquido, o balão se contrai completamente.
Cortando o balão, encontramos dióxido de carbono sólido em seu interior.
Este é um exemplo da mudança de fase de um gás para o estado sólido.
Quando o dióxido de carbono sólido se aquece, ele volta a seu estado gasoso
anterior.
Lista de Material
1.
2.
3.
4.
5.
6.
C
Recipiente raso, de isopor (nós usamos a tampa de uma caixa para gelo).
Nitrogênio líquido.
Balão cheio com hélio.
Tesoura.
Balão cheio com dióxido de carbono.
Pinça.
a p í t u l o
35:
M
u d a n ç a s
d e
F
a s e
43
Dem.
Demo35-10
35-10
Sublimação
Sublimationde
of CO
CO22/ Sinopse
Esta experiência ilustra a enorme variação no volume de um material, quando
This experiment illustrates the enormous change in the volume of a material
ele muda seu estado de gás para líquido ou sólido. Um balão de dióxido de
as it changes state from a gas to a liquid or a solid. A carbon dioxide balloon
carbono encolhe completamente quando é imerso em nitrogênio líquido,
collapses entirely when it is immersed in liquid nitrogen, because the liquid
porque o gás esfria até abaixo do seu ponto de sublimação e se condensa em
nitrogen cools the carbon dioxide below its sublimation point and it condenses
gelo seco, como é mostrado na Figura
1*. Depois, o gelo seco evapora de
into dry ice, as shown in Figure 1.† The dry ice then evaporates back into the
novo no ar, não deixando traços.
air, leaving no trace.
Figura 11
Figure
Referências
* Sutton, Demonstration Experiments in Physics, Dems. H-51, sublimation, e H-97, Expansion of
†Solid
Sutton,
Demonstration
Carbon
Dioxide. Experiments in Physics, Demonstrations H-51, Sublimation, and H-97,
Expansion
of
SolidACarbon
Dioxide. Handbook for Physics, Dem. Hk-1, Change of Volume with
Freier e Anderson,
Demonstration
Freier
and
Anderson,
A
Demonstration
Handbook for Physics, Demonstration Hk-1, Change of
Change of State.
Volume with Change of State.
44
C
C aH pA í Pt Tu El Ro 33 55 :: PMHuAdSaEn çCaHs A dN eG EFS a
s e
Dem. 35-10
Sublimação de CO2 / Argumento
A maioria dos materiais sólidos se transforma em líquido quando aquecidos ao
ponto de fusão. O dióxido de carbono é uma exceção.
Vamos congelar um pouco de dióxido de carbono, enchendo um balão com o
gás e mergulhando-o em nitrogênio líquido.
Agora que o dióxido de carbono solidificou, vamos espalhá-lo na mesa para
aquecer.
Quando esquenta, ele passa diretamente de sólido para gás, sem nunca ficar
líquido, num processo conhecido como sublimação.
Por causa deste comportamento, o dióxido de carbono ficou conhecido como
gelo seco.
Lista de Material
1.
2.
3.
4.
5.
6.
C
Recipiente raso, de isopor (o mesmo da Demonstração 35-09).
Nitrogênio líquido.
Balão cheio de dióxido de carbono.
Luvas.
Tesoura.
Fundo escuro, para depositar o gelo seco branco.
a p í t u l o
35:
M
u d a n ç a s
d e
F
a s e
45
Demo 35-11
Dem. 35-11
Slime Ball
Bola de Geleca / Sinopse
“Slime” is a type of non-Newtonian fluid. When under normal atmospheric
“Geleca”
é um
não-Newtoniano.
pressão
normal,
tem
pressure it
has fluido
small viscosity
and flowsSob
readily,
so aatmosférica
ball of slime
will become
baixa
e flui1.facilmente.
Neste
caso,
umait bola
de geleca
se achata,
flat, asviscosidade
seen in Figure
On the other
hand,
when
is under
high pressure,
como
é visto when
na Figura
1. of
Por
outro
sobagainst
alta pressão
por exemplo,
se
for example,
a ball
slime
is lado,
thrown
a hard -surface,
its viscosity
uma
bola dramatically,
de geleca for and
lançada
contra uma
superfície
viscosidade
increases
it bounces,
behaving
moredura,
like asua
rubber
ball.
aumentará dramaticamente, e ela se comportará como uma bola de borracha.
Figura 11
Figure
46
C
C
H A P T E R
a p í t u l o
35: PHASE CHANGES
35: Mudanças de Fa
s e
Dem. 35-11
Bola de Geleca / Argumento
Esta bola repica quando é jogada sobre a mesa, comportando-se como uma
bola sólida de borracha.
Quando a bola é deixada sobre a mesa alguns segundos, ela começa a fluir
como um líquido.
Lista de Material
Produto disponível comercialmente, sob o nome de “Geleca”.
C
a p í t u l o
35:
M
u d a n ç a s
d e
F
a s e
47