ESTADOS FÍSICOS FUNDAMENTAIS
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A matéria é constituída de corpúsculos (átomos, íons
ou moléculas) agregados uns aos outros. Esta agregação nos
leva a distinguir na matéria três estados físicos fundamentais:
SÓLIDO - São corpos que apresentam forma e volumes
próprios; resistem a esforços de tração, compressão, flexão
etc. São rígidos e incompressíveis.
LÍQUIDO - São corpos que apresentam volumes próprios,
mas não forma própria; não apresentam resistência a tração
mas resistem à compressão. São fluidos e incompressíveis.
GASOSO - Não apresentam forma nem volume próprios,
tomando a forma e o volume do recipiente que os contém.
Apresentam pequena resistência à compressão. São fluidos e
compressíveis.
Ferro em estado líquido
1. MUDANÇAS DE ESTADO
Através do aquecimento ou do resfriamento de uma substância, promovemos a sua mudança de estado.
Exemplo:
- a fusão do gelo.
Quando ao mudar de estado, a substância passa por um
amolecimento gradativo até atingir o estado líquido, a fusão é
pastosa.
Exemplo:
- a fusão da parafina.
Solidificação: é a passagem de uma substância do estado líquido para o estado sólido. É a transformação inversa
da fusão.
Vaporização: é a passagem de uma substância do estado líquido para o gasoso.
A vaporização pode se processar de três maneiras diferentes:
• EVAPORAÇÃO: é a vaporização lenta. Pode ocorrer
em qualquer temperatura desse líquido.
• EBULIÇÃO: é um processo turbulento, que se verifica em toda a massa do líquido e só ocorre em uma determinada
temperatura, chamada ponto de ebulição.
• CALEFAÇÃO: é a vaporização que ocorre quando um
líquido é derramado sobre uma superfície aquecida a uma temperatura superior à de ebulição do líquido.
Liquefação: é também chamada de condensação. É a
passagem de uma substância do estado gasoso para o estado
líquido.
Sublimação: é a passagem da substância diretamente
do estado sólido para o estado gasoso ou vice-versa.
A fusão e a solidificação se processam na mesma temperatura, chamada temperatura (ou ponto) de fusão ou solidificação.
A ebulição e a liquefação se processam na mesma temperatura, chamada temperatura (ou ponto) de ebulição ou de
liquefação.
As mudanças de estado obedecem às seguintes leis:
• Se a pressão for mantida constante, durante a mudança de estado a temperatura se mantém constante.
• Para uma dada pressão, cada substância tem a sua
temperatura de mudança de estado.
• Variando a pressão, a temperatura de mudança de
estado também varia.
2. CALOR LATENTE
Vamos definir estes tipos de mudança de estado.
Fusão: é a passagem de uma substância do estado sólido para o estado líquido.
Quando na fusão há coexistência das fases sólida e líquida, a fusão é nítida ou cristalina, isto é, o corpo passa aos
poucos de uma fase para a outra.
Vimos que calor latente é o calor que provoca mudança
de estado da matéria e que, enquanto o corpo ganha ou perde
calor latente, sua temperatura permanece constante.
A quantidade de calor latente Q recebida ou perdida por
um corpo é diretamente proporcional à massa m do corpo. Isto é:
onde L é chamado calor latente de fusão ou de vaporização.
1
FÍSICA
Este calor depende:
• do tipo de mudança de estado (fusão, vaporização, etc.)
• da natureza das substâncias.
Vale a pena lembrar que:
CALOR LATENTE DE EBULIÇÃO = CALOR LATENTE DE LIQUEFAÇÃO
TESTE DE SALA
Módulo 02/14
— Calcule a quantidade de calor liberada quando 30 gramas
de vapor de água a 100oC são resfriados, sob pressão normal, até congelar a 0oC.
Dados:
L(vaporização) = 540 cal/g;
L(fusão) = 80 cal/g
P.C.  Ponto crítico – Verifica-se experimentalmente que,
quanto mais baixa é a temperatura de um corpo, menor é a
pressão necessária para que haja liquefação. Para cada
substância no estado gasoso, existe uma temperatura determinada, acima da qual não é possível a liquefação, por
maior que seja a pressão exercida. A esta última temperatura damos o nome de temperatura crítica (T.C.), que define o ponto crítico (P.C.)
Obs.: Quando a temperatura de uma substância está acima da crítica, a substância recebe o nome de gás; quando a
temperatura está abaixo da crítica, a substância é denominada
vapor.
Existem, no entanto, substâncias como a água, o ferro e o
bismuto, por exemplo, que sofrem uma redução de volume ao
passarem para o estado líquido. Para estas substâncias, o aumento de pressão acarreta uma diminuição do ponto de fusão.
Em relação a essas substâncias, o gráfico da pressão em
função do ponto de fusão se apresenta assim:
LÍQUIDO
SÓLIDO
3 . INFLUÊNCIA DA PRESSÃO NA MUDANÇA DE ESTADO DE UMA SUBSTÂNCIA
De um modo geral, para um aumento de pressão, há um
aumento na temperatura de mudança de estado.
Construindo-se o gráfico cartesiano das condições de
equilíbrio entre as fases sólido, líquido e gasoso, encontramos
o diagrama de estado de uma substância.
P.T  Ponto triplo – Este ponto representa as condições segundo as quais um corpo se situa entre as fases
sólida, líquida e gasosa, em equilíbrio térmico.
2
Dá-se o nome de regelo à fusão do gelo em temperaturas
mais baixas que o seu próprio ponto de fusão. Como vimos, o
aumento da pressão causa na água um abaixamento no ponto
de fusão, causando este fenômeno.
No gráfico ( I ) a seguir, temos:
Inicialmente, o gelo estava nas condições do ponto A.
Com o aumento da pressão, ele passa de A para B, sofrendo
fusão no ponto C. Com a descompressão, o sistema volta ao
ponto A, ocorrendo o regelo.
Uma experiência bastante interessante sobre este fenômeno é mostrada na figura (II).
FÍSICA
Pendurando dois pesos na barra de gelo, aumentando a
pressão nesta região, causamos a fusão do gelo, a água escorre para cima do cabo voltando ao estado sólido, formando o
regelo.
No final da experiência, vemos o cabo atravessar a barra,
sem dividi-la em duas partes!
SUPERFUSÃO
A superfusão não é um estado permanente, de tal forma
que, se atirarmos no líquido um pequeno cristal sólido ou se
agitarmos o líquido, parte dele se solidificará rapidamente (trecho CD) e o líquido voltará (se aquece) à temperatura de
solidificação (D); a partir daí, a solidificação se desenrolará
normalmente (DE).
4. MÉTODOS DE PROPAGAÇÃO DO
C A LO R
CONDUÇÃO
Quando o calor é transmitido de um ponto a outro através de agitação molecular dos choques entre as moléculas,
sem haver transporte de matéria. É o caso de aquecermos a
extremidade de uma barra metálica e sentirmos o aquecimento
na extremidade oposta.
Algumas substâncias conduzem calor melhor que as outras. O calor passa da região de maior para a de menor temperatura.
Módulo 02/14
A superfusão é um fenômeno que ocorre com um líquido,
quando, ao ser resfriado lentamente, sem provocar nenhuma
agitação em sua massa, o levamos a temperaturas mais baixas
que o seu ponto de solidificação, ainda sob a forma de líquido.
Na superfusão, a curva de resfriamento toma o aspecto
da figura.
que a superfície congelada de uma lagoa protege do ar atmosférico a camada líquida, os esquimós aprenderam que o próprio
gelo pode resguardá-los do frio e construíram suas casas com
blocos de gelo, os iglus.
Inúmeras situações se referem aos três processos de
transmissão de calor: condução, convecção e radiação ou irradiação. Vejamos cada um deles.
FLUXO DE CALOR
É a razão entre a quantidade de calor que passa de uma
região para outra de temperatura menor e o tempo gasto nesta
Q
passagem.

t
Q

t
Natureza, uma grande mestra
Os modernos conceitos sobre transmissão de calor nos
lembram o homem primitivo, que, observando os ursos, as renas e outros animais de pelo, teve a ideia de cobrir-se para
proteger-se do frio.
Hoje usamos roupas dos mais diversos tipos. Mas o princípio é o mesmo: tanto a pele dos animais quanto a roupa criam
um isolamento térmico entre o corpo e o
ambiente, não permitindo troca de calor.
Pela observação da natureza também aprendemos que
o ar é outro excelente
isolante térmico: os
pássaros, em dias frios, arrepiam as penas
para reter uma camada de ar em torno da
pele, isolando assim o
Dentro de um iglu a temperatura é maicorpo do ambiente.
or que a do ar atmosférico que o circunda. Isso porque, sendo isolante térmico,
Outro exemplo
o gelo não permite a passagem do calor
de isolamento térmico
de dentro para fora do iglu.
é o gelo. Percebendo
O fluxo de calor depende:
1) da área A da chapa. Quanto maior a área, maior será a
quantidade de calor que passa por ela;
2) da diferença de temperatura. Quanto maior a diferença
de temperatura entre as duas regiões, maior será a quantidade
de calor que passa através da chapa;
3) da espessura da chapa. Quanto mais espessa for a
chapa, menor será a quantidade de calor que passa por ela.
Nessa expressão, K é coeficiente de condutibilidade térmica da chapa, A é a área da chapa, DT é a diferença de temperatura entre as regiões, e é a espessura da chapa. O valor de K
é grande para os bons condutores de calor, como os metais, e
pequeno para os isolantes térmicos, como a lã.
3
FÍSICA
TESTE DE SALA
Quando a propagação do calor se faz através de ondas
eletromagnéticas (raios infravermelhos), independendo da existência de meio material para a sua propagação.
Exemplo:
- o calor do Sol que atinge a Terra, se propaga no vácuo
por irradiação.
Módulo 02/14
Laureni Fochetto
— (UFBA) A figura seguinte apresenta um bastão de alumínio
de massa homogênea, cuja extremidade direita, colocada
sobre a região da chama de uma vela, está a 80o C, e a
esquerda, segura pelas mãos de um garoto, está em torno
de 30oC.
RADIAÇÃO OU IRRADIAÇÃO
Sabendo-se que a condutibilidade térmica do alumínio é
0,50cal.s-1 . cm-1 oC-1 e a secção transversal do bastão é de
4cm2, calcule, em segundos, o tempo mínimo que o garoto
sentirá variação de temperatura se, neste intervalo, o bastão absorveu 180 calorias.
Quando sentamos em frente a uma
fogueira, recebemos
energia por irradiação.
5 . COMPORTAMENTO ANÔMALO DA
Á G UA
A maioria das substâncias se contraem ao sofrerem
solidificação. A água, entretanto, apresenta comportamento
oposto.
Podemos comprovar isso colocando no congelador uma garrafa cheia de água ou refrigerante (que contém grande parte
de água): na mudança de fase, o recipiente pode quebrar.
Se ao resfriarmos uma certa massa de água e anotássemos o seu volume a cada temperatura obteríamos o gráfico
dado a seguir.
CONVECÇÃO
É a transmissão do calor através do transporte de matéria de
um ponto para outro. Este processo só pode ocorrer nos fluidos (líquidos e gases) e consiste na formação das “correntes de convecção”:
A massa da substância é aquecida (A), ficando com densidade menor que as massas adjacentes. Subindo à superfície
(B) ela se resfria, retomando a densidade inicial e, consequentemente, descendo novamente.
4
Percebemos que o resfriamento provoca uma contração
até 4ºC. A partir deste ponto a água começa a se dilatar, apesar
de estar sendo resfriada.
O volume mínimo da amostra ocorre a 4ºC e consequentemente, nesta temperatura a sua densidade será máxima.
FÍSICA
TESTES DE CASA
01. (FTC)
A água está continuamente sofrendo mudanças de fase
na natureza. Quando líquida, evapora-se sob ação do
calor do Sol e os vapores formados sobem, condensandose nas camadas superiores da atmosfera. É comum também a formação do orvalho, que, quando se solidifica,
dá origem à geada.
(Ramalho, p. 114-5)
a)
b)
c)
d)
e)
evaporação e a solidificação.
solidificação e a condensação.
condensação e a evaporação.
solidificação, apenas.
evaporação, apenas.
02. (FAVIC) Com base nos conhecimentos sobre calorimetria,
marque com V as afirmativas verdadeiras e com F, as falsas.
(
(
(
) Um corpo pode receber calor sem aumentar a sua
temperatura.
) A troca de calor entre dois sistemas depende da
energia térmica armazenada em cada um deles e não
da diferença de temperatura entre ambos.
) Para corpos de uma mesma substância, a capacidade térmica é inversamente proporcional à massa.
A alternativa que indica a sequência correta, de cima para
baixo, é a:
a)
b)
c)
d)
e)
VFF
FFV
VVF
FVV
VVV
03. (UCS) A energia é uma grandeza física relacionada com os
mais diversos fenômenos. Quase todas as coisas que acontecem na natureza podem ser interpretadas como transformações da energia. A energia transferida corresponde a
calor ou trabalho. O equivalente mecânico do calor, determinado por James Joule na primeira metade do século XIX,
é de 4,2 joules/caloria.
Assim, quando 20 g de água sofrem variação de 1°C por
agitação, a energia mecânica transferida à água vale, em
joules:
a)
b)
c)
d)
e)
5
10
21
42
84
Considere um sólido cristalino de massa 100 g que se
encontra a 327 °C, que é a sua temperatura de fusão. O
calor específico da substância constituinte do sólido vale
0,10 cal/g°C e o calor latente de fusão vale 6,0 cal/g. Fornecendo ao sólido 120 cal de calor:
a)
b)
c)
d)
e)
a sua temperatura aumenta de 12 °C.
funde uma massa de 80 g do sólido.
funde uma massa de 20 g do sólido.
a sua temperatura varia de 120 °C.
a sua temperatura passa a 351 °C.
Módulo 02/14
Considerando-se as mudanças de fase abordadas no texto, é necessária a absorção de energia, na forma de calor
latente, para que ocorra a:
04. (UCS) Na natureza quase todos os sólidos têm os seus
átomos dispostos ordenadamente, constituindo uma rede
cristalina. Quando um sólido cristalino recebe calor, suas
moléculas passam a se agitar mais intensamente. À temperatura de fusão, a agitação térmica é suficiente para destruir a estrutura cristalina.
05. (UEFS) Um aquecedor elétrico, de potência P, deve ser utilizado para fundir completamente, ao nível do mar, uma
massa m de gelo inicialmente à temperatura To < 0°C.
Desprezando-se as perdas e sendo c e L o calor específico
e o calor latente de fusão do gelo, respectivamente, esse
aquecedor deve permanecer ligado por um tempo mínimo
igual a:
a)
m(cTo  L)
P
b)
P(LTo  c)
m
Pm
c) (cT  L)
o
LTo  c
mP
e) Pm (LTo + c)
d)
06. (UEFS)
O gráfico ilustra as transformações sofridas por 50g de
uma certa substância inicialmente no estado sólido.
Com base nas informações fornecidas no gráfico, pode-se
concluir que o calor latente de fusão dessa substância, em
cal/g, é igual a:
a) 12
b) 18
c) 20
d) 23
e) 35
5
FÍSICA
07. (UCS) A temperatura de um corpo, inicialmente sólido, varia com a quantidade de calor que recebe, como mostra o
gráfico abaixo.
Módulo 02/14
Sabendo que o calor latente de fusão da substância de que
é feito o corpo vale 20 cal/g, o calor específico da substância no estado sólido, em cal/g °C, vale:
a)
b)
c)
d)
e)
0,050
0,10
0,15
0,20
0,25
10. (UCS) Colocam-se m gramas de gelo a 0°C num recipiente
contendo 2 m gramas de água à temperatura t. Após certo
m
gramas de gelo boiando na
2
água em estado de equilíbrio térmico. Admite-se não haver
troca de calor com o ambiente, o calor latente de fusão do
gelo é 80 cal/g e o calor específico da água é 1,0 cal/g °C.
Pode-se, então, concluir corretamente que a temperatura
t da água, em °C, era:
tempo, verifica-se que há
a)
b)
c)
d)
e)
10
15
20
30
40
Dados:
calor específico da água = 1,0 cal/g°C
calor latente de fusão do gelo = 80 cal/g
calor latente de vaporização da água = 540 cal/g
11. (UNIT) Uma massa m de gelo a 0°C e outra M de vapor de
água a 100°C, ao nível do mar, são colocadas em um recipiente de paredes adiabáticas e capacidade térmica desprezível. Verifica-se que o equilíbrio térmico é atingido a 40°C.
Nessas condições, a relação m/M vale:
08. (UCS) Uma amostra de 200 g de uma substância, inicialmente no estado sólido, é aquecida por uma fonte térmica
de potência constante.
O gráfico abaixo representa a temperatura  da substância
em função do tempo t de aquecimento.
a)
1
2
1
5
c) 1
d) 2
e) 5
Dados:
Calor específico do cobre = 0,092 cal/g°C
Calor de fusão do gelo = 80 cal/g
Densidade do gelo = 0,92 g/cm³
b)
12. (UCS) Uma esfera de cobre de 10,0 g é aquecida em água
fervente a 100°C e, imediatamente, é tirada da água colocada sobre um bloco de gelo, suposto a zero graus Celsius,
derretendo uma parte do gelo e formando uma cavidade. O
volume dessa cavidade, em cm³, é um valor que pode ser
estimado próximo de:
Sabendo que o calor latente de fusão da substância vale
40 cal/g, o seu calor específico no estado sólido, em cal/
g°C, vale:
a)
b)
c)
d)
e)
0,25
0,40
0,64
0,80
1,2
09. (UNIT) Um recipiente, de capacidade térmica desprezível, contém 400g de água a 40°C. Introduzem-se no recipiente 100g de
gelo, a 0°C. Admitindo-se que não há trocas de calor com o
ambiente, a temperatura final de equilíbrio, em oC, é:
a)
b)
c)
d)
e)
6
zero
5,0
10
16
20
Dados:
calor específico da água = 1,0 cal/g°C
calor latente de fusão do gelo = 80 cal/g
a)
b)
c)
d)
e)
0,5
1,3
2,0
9,2
92
13. (CEFET) No interior de um enorme bloco de gelo foi feita
uma cavidade, onde se colocou uma esfera metálica de 50g
a 90°C.
Sabendo-se que o valor latente de fusão do gelo e o calor
específico do metal valem, respectivamente, 80 cal/g e 0,12
cal/g °C, no equilíbrio térmico, a massa de água líquida, em
gramas, é igual a:
a)
b)
c)
d)
e)
6,75
6,25
5,75
5,25
5,00
FÍSICA
14. (IME-RJ) Um vidro plano, com coeficiente de
condutibilidade térmica 0,00 183 cal/s.cm°C, tem uma área
de 1000 cm² e espessura de 3,66 mm. Sendo o fluxo de calor
por condução através do vidro de 2000 calorias por segundo, calcule em 10² °C, a diferença de temperatura entre suas
faces.
A pressão atmosférica local é normal. Sabendo-se que o
coeficiente de condutibilidade térmica do alumínio vale
0,5 cal/s.cm°C, pede-se calcular a temperatura numa
secção transversal da barra situada a 40 cm da extremidade mais quente.
16. (UCS) Considere os processos de transferência de calor e
suas denominações:
I. agitação das partículas
II. propagação ondulatória
III. transporte de matéria
a. condução
b. convecção
c. irradiação
d) calefação.
e) sublimação.
19. (UEFS) Experimentos simples mostram que as temperaturas de fusão e ebulição dependem da pressão que atua
sobre as substâncias. O aumento da pressão diminui a temperatura de fusão e aumenta a temperatura de ebulição.
Sabe-se que a água tem ponto de ebulição 100°C, quando
está sob pressão de 1atm.
A partir dessas informações e dos conhecimentos de
hidrostática, pode-se inferir que, na cidade de Campos do
Jordão, situada a 1700m acima do nível do mar:
a) a pressão atmosférica é superior a 1atm.
b) o ponto de ebulição da água é inferior a 100°C.
c) o ponto de liquefação do vapor d'água é superior a
100°C.
d) as moléculas de água precisam de maior energia para
evaporar.
e) as moléculas de vapor d'água absorvem maior quantidade de calor para se liquefazer.
Módulo 02/14
15. Uma barra de alumínio de 50 cm de comprimento e área de
secção transversal 5 cm² tem uma de suas extremidades em
contato térmico com uma câmara de vapor d'água em ebulição. A outra extremidade está imersa numa cuba que contém uma mistura bifásica de gelo fundente.
a) condução.
b) convecção.
c) irradiação.
20. (UCS) A temperatura de fusão do gelo ao nível do mar é
0 °C. Com o aumento da pressão a temperatura de fusão
diminui, pois o gelo diminui de volume ao se fundir.
Assim, no topo de uma montanha a temperatura de fusão
do gelo pode ser:
a) -2 °C
b) 0 °C
c) 30 °F
d) 32 °F
e) 275 K
21. (UCS) Considere o diagrama de fases de certa substância.
A associação correta é:
a) Ia, IIb e IIIc
b) Ia, IIc e IIIb
c) Ib, IIa e IIIc
d) Ib, IIc e IIIa
e) Ic, IIa e IIIb
17. (UCS) Considere o texto abaixo com as lacunas.
“Numa geladeira, o ar frio .......... e o ar quente .......... para
ser resfriado, numa contínua corrente de .............. para facilitar o resfriamento do ar, o sistema de refrigeração é colocado na parte .............. da geladeira.”
As palavras que preenchem corretamente as lacunas são,
respectivamente,
a)
b)
c)
d)
e)
sobe - desce - convecção - superior
desce - sobe - convecção - superior
sobe - desce - condução - inferior
desce - sobe - condução - inferior
sobe - desce - radiação - superior
18. (UNEB) O Sol aquece a Terra a partir da propagação de
ondas eletromagnéticas.
Analise as afirmações relativas a esse diagrama.
I.
S é um ponto que representa um equilíbrio entre as
fases líquida e gasosa.
II. No estado Q a substância pode se apresentar sólida e/
ou líquida.
III. R é um ponto que representa um líquido.
IV. Para pressões maiores que a do ponto T pode ocorrer
a sublimação.
São corretas SOMENTE:
a) I e II
b) II e III
c) III e IV
d) I, II e III
e) I, II e IV
A esse fenômeno dá-se o nome de:
7
FÍSICA
22. (FDC) Abaixo é apresentado o diagrama de estados físicos
de certa substância pura. Nos eixos estão representadas
pressões e temperaturas.
24. (UNEB) Sob pressão atmosférica normal, a densidade da
água varia em função da temperatura, de acordo com o
gráfico.
Módulo 02/14
Considere as afirmações:
I.
Partindo do estado A, a substância poderá se solidificar por abaixamento de temperatura, à pressão constante.
II. A partir do ponto A, pode-se conseguir a vaporização
por redução de pressão, mantida a temperatura constante.
III. A passagem de B para C é denominada sublimação.
IV. No ponto T, a substância pode se apresentar nos três
estados físicos, simultaneamente.
Dentre elas, são corretas:
a)
b)
c)
d)
e)
apenas I e II
apenas III e IV
apenas I, II e III
apenas I, II e IV
I, II, III e IV.
23. (FTE)
Considerando-se essas informações e o fato de a água, na
forma sólida, ser menos densa do que na forma líquida, é
correto afirmar que esse fluido
a) mantém volume constante, ao ser aquecido a partir do
ponto de fusão.
b) mantém volume constante, ao ser resfriado de 4°C até
o ponto de solidificação.
c) se submete à contração térmica durante o resfriamento,
à medida que vai atingindo temperaturas muito próximas do ponto de congelamento.
d) se submete à dilatação térmica durante o resfriamento,
à medida que vai atingindo temperaturas muito próximas do ponto de solidificação.
e) tem, no processo de solidificação, aumento de massa e
redução de volume.
Questões 25 a 27
O estado físico em que uma substância se encontra depende das condições de pressão e temperatura. O gráfico abaixo representa o diagrama de fase do CO2. (O gráfico não está
em escala).
Em regiões de inverno rigoroso, os lagos e os rios congelam apenas na superfície.
Esse fenômeno, que ocorre devido à dilatação irregular da
água, conforme gráfico, é fundamental para a preservação
da fauna e da flora aquáticas e está associado ao fato de a
água apresentar:
a)
b)
c)
d)
e)
densidade máxima a 4°C.
volume máximo a 4°C.
contração térmica, ao ser resfriada de 4°C a 0°C.
ligações de hidrogênio apenas no estado líquido.
propriedades que possibilitam a manutenção da vida
em quaisquer temperaturas intracelulares.
25. Região em que a substância está no estado líquido.
26. Ponto crítico.
27. Ponto de equilíbrio entre as três fases da substância.
8
FÍSICA
28. O gráfico representa o diagrama de fases do “gelo seco”.
PT e PC representam, respectivamente, ponto triplo e ponto
crítico da substância. Analise esse diagrama e assinale a
alternativa correta.
29. O diagrama de fases de uma substância pura é mostrado na
figura abaixo. Com relação aos pontos assinalados na figura, a alternativa correta é:
a) O tempo que se gasta para cozinhar os alimentos não
depende da pressão local.
b) Quando tocamos em madeira ou metal, ambos à mesma
temperatura, as sensações térmicas são iguais.
c) Como o ar não é bom condutor térmico, os pássaros
eriçam suas penas para se manterem quentes.
d) Uma garrafa cheia d’água pode quebrar, dentro de um
congelador, porque a água ao se congelar sofre aumento de volume.
e) Ao bebermos água gelada, notamos que o copo “sua”,
ficando com a parte externa molhada. Isto acontece
porque a água atravessa as paredes do copo e molha a
parte externa.
31. O vidro espelhado e o vácuo existente entre as paredes de
uma garrafa térmica ajudam a conservar a temperatura da
substância colocada no seu interior.
Módulo 02/14
a) Acima de 31ºC, a substância apresenta-se no estado
de vapor.
b) É possível liquefazer o gás apenas aumentando a temperatura de -56,6ºC para 31ºC.
c) A substância pode apresentar-se no estado sólido para
os vapores de pressão acima de uma atmosfera.
d) A substância apresenta-se sempre no estado líquido
para a temperatura de 20ºC.
e) A substância apresenta-se em mudança de estado para
pressão de 5,1 atm e temperatura de -10ºC.
30. Sobre problemas térmicos, podemos afirmar:
Isso ocorre porque:
a) a radiação térmica não se propaga no vácuo.
b) o vidro é isolante térmico.
c) as paredes espelhadas minimizam a perda de energia
por condução.
d) o vácuo entre as paredes minimiza que haja propagação de calor por condução e por convecção.
e) a radiação térmica sofre reflexão total na interfece da
substância com o vidro espelhado.
32. (CEFET) A água é um dos elementos fundamentais para o
surgimento e a manutenção da vida. Nas regiões onde a
temperatura varia de 0 °C até 4 °C, a superfície dos lagos se
congela para preservar espécies aquáticas.
O congelamento da superfície desses lagos ocorre devido:
a)
b)
c)
d)
e)
a) A substância no ponto I está na fase vapor e no ponto
A está simultaneamente nas fases sólida e vapor.
b) A substância no ponto T (ponto tríplice) está simultaneamente nas três fases e no ponto II está na fase vapor.
c) A substância no ponto III está na fase líquida e no ponto
C está simultaneamente nas fases sólida e líquida.
d) A substância no ponto B está simultaneamente nas
fases sólida e líquida e no ponto III está na fase sólida.
e) A substância nos pontos I, II e III está nas fases líquida, vapor e sólida, respectivamente.
ao calor latente de fusão do gelo.
ao aumento da densidade da água líquida.
ao coeficiente de dilatação térmica da água.
à densidade da água líquida que se mantém constante.
ao valor relativamente alto do calor específico da água
líquida.
33. Uma pessoa anda descalça no interior de uma casa onde as
paredes, o piso e o ar estão em equilíbrio térmico. A pessoa
sente o piso do ladrilho mais frio que o de madeira devido a:
a) efeitos psicológicos.
b) diferentes propriedades de condução de calor do ladrilho e da madeira.
c) diferença de temperatura entre o ladrilho e a madeira.
d) diferença entre os calores específicos do ladrilho e da
madeira.
e) diferentes propriedades de radiação do calor do ladrilho e da madeira.
9
FÍSICA
34. (UESC) Uma parede de concreto com 9,0m2 de área e 10,0cm
de espessura tem coeficiente de condutibilidade térmica
K=2,0.10–3cal/s.cm.°C. Sabendo-se que, em um determinado momento, a diferença de temperatura entre suas faces é
de 5,0°C, a quantidade de calor que flui, no regime estacionário, através da parede durante 10,0min, em calorias, é:
a) 54000
b) 5400
c) 540
d) 54
e) 5,4
Módulo 02/14
35. (FMABC - SP) Atualmente, os diversos meios de comunicação vêm alertando a população para o perigo que a Terra
começou a enfrentar já há algum tempo: o chamado “efeito
estufa”. Tal efeito é devido ao excesso de gás carbônico,
presente na atmosfera, provocado pelos poluentes dos
quais o homem é responsável direto. O aumento de temperatura provocado pelo fenômeno deve-se ao fato de que:
a) a atmosfera é transparente à energia radiante e opaca
para as ondas de calor.
b) a atmosfera é opaca à energia radiante e transparente
para as ondas de calor.
c) a atmosfera é transparente tanto para a energia radiante como para as ondas de calor.
d) a atmosfera é opaca tanto para a energia radiante como
para as ondas de calor.
e) a atmosfera funciona como um meio refletor para a energia radiante e como meio absorvente para as ondas de
calor.
36. Analisando uma geladeira doméstica, podemos afirmar:
I – O congelador fica na parte superior para favorecer a
condução do calor que sai dos alimentos e vai até ele.
II – As prateleiras são grades vazadas (e não chapas
inteiriças), para permitir a livre convecção das massas
de ar quentes e frias no interior da geladeira.
III –A energia térmica sai dos alimentos chega até o congelador, principalmente, por irradiação.
IV –As paredes das geladeiras normalmente são intercaladas com material isolante, com objetivo de evitar a
entrada de calor por condução.
d) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, e a sensação é devido ao fato de a condutividade térmica do
alumínio ser maior que a do vidro.
e) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, e a sensação é devido ao fato de a condutividade térmica do
vidro ser maior que a do alumínio.
38. (UEA-AM) Os exaustores na foto abaixo são dispositivos
usados para retirar o ar quente do interior de um ambiente,
sem qualquer acionamento artificial.
Mesmo assim, as hélices dos exaustores giram. Uma explicação correta para o movimento das hélices é:
a) a passagem do ar quente da parte interna para a externa, através do exaustor.
b) a passagem do ar quente da parte externa para a interna, através do exaustor.
c) a passagem do ar frio da parte externa para a interna,
através do exaustor.
d) a propagação do calor por condução da parte interna
para o meio exterior.
e) a propagação do calor por irradiação da parte interna
para o meio exterior.
39. (CFT-CE) Na figura a seguir tem-se um dispositivo que nos
ajuda a entender as formas pelas quais o calor se propaga.
Quais afirmativas são corretas?
a) I.
b) I, II e III.
c) I e III.
d) II e IV.
e) todas as afirmativas.
37. Uma garrafa de vidro e uma lata de alumínio, cada uma contendo 330mL de refrigerante, são mantidas em um refrigerador
pelo mesmo longo período de tempo. Ao retirá-las do refrigerador com as mãos desprotegidas, tem-se a sensação de que
a lata está mais fria que a garrafa. É correto afirmar que:
a) a lata está realmente mais fria, pois a capacidade
calorífica da garrafa é maior que a da lata.
b) a lata está de fato menos fria que a garrafa, pois o vidro
possui condutividade menor que o alumínio.
c) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, possuem
a mesma condutividade térmica, e a sensação deve-se
à diferença nos calores específicos.
10
Observa-se que, em um local livre de correntes de ar, ao
ligar a lâmpada - transformação de energia elétrica em térmica -, a ventoinha acima da lâmpada começa a girar. Isto
deve-se, principalmente, devido à(às):
a)
b)
c)
d)
irradiação térmica próxima à lâmpada aquecida.
convecção térmica do ar próximo à lâmpada aquecida.
condução térmica que predomina nos metais.
força de atração gravitacional entre a ventoinha e a
lâmpada.
e) forças de ação e de reação.
FÍSICA
40. Na geladeira, retira-se periodicamente o gelo do congelador. Nos polos, as construções são feitas sob o gelo. Os
viajantes do deserto do Saara usam roupas de lã durante o
dia e à noite. Julgue as afirmações seguintes, sobre isolantes térmicos e indique a falsa.
43. Uma forma experimental para medir a condutividade térmica de um material usado como isolante é construir uma
caixa com esse material. No seu interior, é colocado um
aquecedor elétrico de potência conhecida que mantém a
temperatura interna superior à externa.
Suponha que foi construída uma caixa com determinado
material isolante. A área total externa tem 4,0 m e a espessura das paredes é de 5,0 m. O aquecedor elétrico desenvolve
uma potência constante de 300 W, mantendo a temperatura interna da caixa 50 °C acima da temperatura externa. Desprezando possíveis efeitos de bordas, determine o coeficiente de condutividade térmica do material em questão.
41. Com o calor que atravessa uma parede de concreto de
10 cm de espessura (k = 2,0 .10 –3 cal/s cm .ºC) e área de
9,0. 104 cm², num intervalo de 100s, quando suas faces
experimentam uma diferença de temperatura de 40ºC, é
possível fundirmos um cubo de gelo de 10 cm de aresta,
a 0ºC e pressão normal. O calor latente de fusão do gelo
é 80 cal/g. Determine a massa do cubo de gelo.
Módulo 02/14
a) o gelo é mau condutor de calor.
b) a lã evita o aquecimento do viajante do deserto durante
o dia e o resfriamento durante a noite.
c) a lã impede o fluxo de calor por condução e diminui as
correntes de convecção.
d) o gelo, sendo um corpo a 0 °C, não pode dificultar o
fluxo de calor.
e) o ar é um ótimo isolante para o calor transmitido por
condução, porém favorece muito a transmissão do calor por convecção. Nas geladeiras, as correntes de
convecção é que refrigeram os alimentos que estão na
parte inferior.
GABARITO
42. Uma casa tem 5 janelas, tendo cada uma vidro de área
1,5 m² e espessura 3,0 mm. A temperatura externa é – 5 °C
e a interna é mantida a 20 °C, por meio da queima de
carvão. Qual a massa de carvão consumida no período
de 12 h para repor o calor perdido apenas pelas janelas?
Considere os seguintes dados: condutividade térmica
do vidro = 0,72k cal/h.m°C, e calor de combustão do
carvão = 6,0 . 10³ cal/g.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
—
E
A
E
C
A
C
––
B
D
1
C
E
B
A
D
20
B
B
C
B
2
––
A
E
A
D
––
––
––
A
E
3
C
D
B
B
A
D
D
D
A
C
4
D
*
*
*
––
––
––
––
––
––
*41. 900g
42. 90g
43. k = 7,5 x 10–3 w/moC
11
FÍSICA
Módulo 02/14
LEITURA COMPLEMENTAR I
LEITURA COMPLEMENTAR II
BRISAS MARÍTIMAS
INVERSÃO TÉRMICA
Sabendo que a água tem calor específico muito grande
comparado ao de outros materiais, como, por exemplo, a terra.
Isso explica a formação das brisas nas proximidades do mar.
Quando o Sol nasce, passa a aquecer a terra e a água.
Porém, devido ao seu alto calor específico, a água demora mais
a aquecer. Assim, durante o dia a terra está mais quente que a
água. Portanto, o ar quente próximo da terra sobe, abrindo espaço para o ar frio que vem da região sobre o mar (fig.a). À
noite a situação se inverte. Como a água demora mais a esfriarse, o ar sobre ela está mais quente que o ar sobre a terra (fig. b).
Desse modo, o ar quente sobe, abrindo espaço para o ar frio
que vem da região sobe a terra.
Isso explica por que o jangadeiro tem que sair de madrugada, quando a brisa sopra da praia para o mar, e tem que voltar
antes de escurecer, quando a brisa ainda sopra do mar para a
praia.
Hoje em dia, nas cidades, o ar está muito poluído devido à
emissão de gases dos veículos e das indústrias. Nos dias quentes, o ar poluído que está mais próximo do solo (fig. a) está mais
quente que o ar das camadas superiores. Assim, o ar poluído
sobe, sendo substituído pelo ar mais frio e mais limpo que está
nas camadas superiores da atmosfera (fig. b); com isso, não ocorre
a convecção, de modo que a concentração dos poluentes vai
aumentando. Esse efeito é chamado inversão térmica. Nas épocas de frio, dependemos das chuvas e dos ventos para dispersar
os poluentes.
(a) dia quente: 01 > 02
a)
(b) dia frio: 01 < 02
b)
12
FÍSICA
LEITURA COMPLEMENTAR III
RAIOS INFRAVERMELHOS
Módulo 02/14
Em determinados ambientes, especialmente quando não
há ação direta do sol, é necessário que a temperatura seja maior
que a externa. Para isso constrói-se um local (estufa) com
paredes de vidro e o chão pintado com uma cor escura. A função
do chão escuro é absorver a energia radiante que provém do
ambiente externo. Essa energia também é absorvida pelos
objetos da estufa e, posteriormente, é irradiada sob a forma de
ondas de calor, os raios infravermelhos, que não atravessam o
vidro comum.
O ferro de passar roupa, quando está em funcionamento,
transmite calor aos corpos que o rodeiam através de raios
infravermelhos. Estes também são utilizados, através de
lâmpadas específicas, na cura de lesões causadas por grande
esforço físico (distensões musculares, por exemplo).
Em guerras, certos mísseis descobrem o alvo através dos
raios infravermelhos emitidos por eles. Há certas lunetas em
que os raios infravermelhos emitidos por um corpo são
transformados em luz visível, possibilitando “enxergar” na
escuridão.
As previsões de temperatura e das condições climáticas
pelos satélites se dão graças à detecção dos raios infravermelhos
emitidos pela superfície da Terra.
LEITURA COMPLEMENTAR IV
O vidro comum é transparente às radiações provenientes
do Sol, mas é opaco àquelas emitidas por corpos cujas
temperaturas sejam muito inferiores à do Sol.
O efeito estufa pode ser observado no interior de um
carro estacionado ao Sol com os vidros fechados.
A GARRAFA TÉRMICA
A garrafa térmica não permite a transmissão de calor
por nenhum dos três processos, isolando com isso o líquido
colocado em seu interior.
Para evitar a radiação, a parede interna é espelhada
nos dois lados. O vácuo existente entre as paredes evita a
condução e a convecção.
Dessa forma, a temperatura do líquido em seu
interior não se altera por um longo período. Mas, como a
vedação não é perfeita, com o tempo o líquido vai esfriando
ao entrar em equilíbrio térmico com o meio exterior.
tampa isolante
material plástico
vácuo
paredes espelhadas nas duas faces
13
FÍSICA
LEITURA COMPLEMENTAR V
ALFRED PASICKA / SCIENCE PHOTO LIBRARY
Módulo 02/14
Substituindo a luz visível por calor, as fotografias
termográficas permitem até mesmo o ar. Criadas por computadores a partir do fraco calor emitido pelos corpos, elas podem
ser encontradas nos mais diferentes laboratórios, de hospitais
a avançados centros de pesquisas.
Ao contrário do processo fotográfico comum, que depende dos raios de luz visíveis refletidos pelos objetos, a
termografia vale-se da radiação térmica emitida pelo movimento normal das moléculas que compõem os materiais.
Em lugar do papel sensível à luz, termômetros especiais
com gases congelados próximo ao zero absoluto, -273 oC, registram mínimas variações de temperatura.
Na termografia, o claro e escuro das imagens convencionais é representado por um código de cores, definido por computadores em função das leituras ponto a ponto do termômetro. Geralmente, quanto mais quente a área lida, mas a cor tende
ao vermelho.
A termografia teve uma acolhida calorosa nos mais diversos campos. Durante a Segunda Guerra Mundial, por exemplo,
foi desenvolvido um binóculo que usa este sistema para permitir que se enxergue melhor à noite. De lá até nossos dias, muitos avanços foram realizados, inclusive na área militar. Hoje,
além dos binóculos, os próprios óculos de aviadores podem
ser desenvolvidos por tal sistema.
“No campo da Medicina as imagens termográficas servem para identificar a evolução de tumores no organismo”,
lembra o oncologista Flávio Franco Montoro, dono de uma das
clínicas brasileiras que fazem esse tipo de exame. As células
cancerosas desprendem mais calor que as saudáveis, pois são
mais irrigadas de sangue. Como o sangue é quente, na
termografia um trecho mais vermelho que o normal pode ser
sinal de câncer.
Os engenheiros mecânicos, de seu lado, descobriram na
termografia um método seguro de analisar o ponto de fadiga
das máquinas e estruturas. O princípio é simples: o desgaste
provoca aumento na vibração e consequentemente na temperatura dos componentes metálicos.
O que aconteceria se uma foto desse tipo fosse feita em
casa, com leves correntes de ar? Essa é a pergunta que os técnicos
franceses procuraram
responder com a criação do Centro Técnico
para as Indústrias Aéreas e Térmicas (Cetiart),
na Universidade de
Orsay, perto de Paris,
onde se estuda o movimento das correntes
Termografia da mão de um não fumante,
de ar.
mostrando a distribuição da temperatura
O objetivo dos
cerca de cinquenta engenheiros do centro é
resolver problemas cotidianos bastante co-
14
associada a uma saudável circulação
sangüínea. A área azul corresponde à região
mais fria e a amarela, à mais quente.
Uma termografia pode mostrar indícios da
presença de doenças e anormalidades que
alteram a temperatura da pele, bem como
problemas de circulação, inflamações e
tumores.
muns, como os das secretárias que suportam correntes de ar
condicionado nas costas; cozinheiras que sufocam com o vapor das panelas ou motoristas que transpiram enquanto têm os
pés congelados. Os métodos de termografia laser empregados
ali são considerados únicos no mundo.
Para tornar o vento visível, os técnicos borrifam água
próximo à fonte de ar e iluminam o local com finíssimos raios
laser. A massa de ar torna-se então uma espécie de fluido colorido, cujos movimentos são gravados por uma câmara de vídeo
ligada ao computador. Este analisa as diferenças de luminosidade e dispõe na tela um retrato fiel e em cores da corrente
de ar.
Tão certo deu a ideia que já está sendo utilizada na
climatização do novo Teatro de Ópera da Bastilha, em Paris, e
para resolver os problemas de ventilação do metrô de Caracas,
na Venezuela.
LEITURA COMPLEMENTAR VI
O PARADOXO DA TÚNICA NEGRA
Depois do que acabamos de dizer, parece um contrasenso que habitantes do deserto usem túnicas negras e se
sintam confortáveis. Entretanto, esse fato tem uma explicação, dada pelos físicos A. Shkolnik, C. Taylor, V. Finch e A.
Borut, em um artigo publicado na revista inglesa Nature, em
janeiro de 1980.
O conforto térmico proporcionado pela túnica se deve ao
fato de ela ser aberta embaixo. A túnica negra chega a atingir
uma temperatura 6°C mais elevada que a atingida pela túnica
branca, porém esse aquecimento do ar está sob a túnica, produzindo uma corrente de convecção para cima. Há, portanto,
uma corrente de ar que entra pela parte de baixo da túnica e sai
pelo tecido poroso. Essa corrente refresca o corpo.
FÍSICA
LEITURA COMPLEMENTAR VII
1 - Diagrama de fases do dióxido de carbono
Módulo 02/14
O diagrama de fases do CO2 tem alguns traços em comum com a da água: curva de sublimação, a curva de vaporização, ponto triplo, a temperatura crítica e pressão. Evidentemente, o P e os
valores de T são exclusivos de dióxido de carbono. Os diagramas de fase de água e dióxido de
carbono são comparados aqui.
O ponto triplo da occure dióxido de carbono a uma pressão de 5,2 atm (torr 3952) e 216,6 K
(-56,4 °C). À temperatura de 197,5 K (-78,5 ºC), a pressão do vapor de dióxido de carbono sólido
é de 1 atm (torr 760). A esta pressão, a fase líquida não é estável, o sólido sublima simplesmente.
Assim, o dióxido de carbono sólido é denominado gelo seco, porque não passam por um estado
líquido em sua transição de fase a pressão ambiente.
A temperatura crítica para o dióxido de carbono é 31,1 °C, e a pressão crítica é de 73 atm. Acima
da temperatura crítica, o fluido é chamado de super-fluido crítica.
Para ser mais preciso, a ponto de várias partes do diagrama de fases estão mais abaixo. No
diagrama de fases de (a) H2O e (b) CO2, os eixos não estão em escala. Em (a), para a água, observe
o ponto triplo A (0,0098 ° C, 4,58 torr), a fusão normal (ou congelação) o ponto B (0 ° C, 1 atm), o
ponto de ebulição normal C (100 ° C, 1 atm), e o ponto crítico D (374,4 ° C, 217,7 atm). Em (b), o
dióxido de carbono, observe o ponto triplo X (-56,4 ° C e 5,11 atm), o ponto Y normal sublimação
(-78,5 ° C, 1 atm), e o ponto crítico Z (31,1 ° C, 73,0 atm).
2 - Dilatação irregular da água
A maioria das substâncias, ao ser aquecida, sofre aumento em seu volume. Outras, no entanto, ao serem aquecidas, sofrem
redução em seu volume. A água é um exemplo deste comportamento irregular.
Verifica-se experimentalmente que uma certa massa de água, ao ser aquecida de 0°C até 4°C, apresenta uma redução em seu
volume. Após 4°C, a água se dilata normalmente.
Isto ocorre porque, no estado sólido, cada molécula da água se liga a outras quatro através de pontes de hidrogênio. Isso
forma uma estrutura hexagonal semelhante a um favo de mel, com lacunas entre as moléculas. Quando o gelo se funde, esta estrutura
se quebra e os espaços vazios começam a ser preenchidos. A partir de 4ºC, o volume da água vai aumentando com a temperatura em
consequência da maior energia cinética das moléculas.
O fato de a água apresentar esse comportamento irregular é muito importante na natureza. É graças a ele que, nos países onde
o inverno é rigoroso, os lagos e rios se congelam na superfície, enquanto no fundo permanece água a 4°C, que se deslocou para esta
posição em virtude de sua densidade ser mais elevada nesta temperatura.
3 - Panela de pressão
A água ferve normalmente a 100 ºC, ao válvula de
válvula com pino
nível do mar e num recipiente aberto. Qualquer segurança
que seja o tempo que a água demore para ferver
nessas condições, a temperatura continuará a
mesma. Se você mantiver alta a chama de gás,
vapor
depois que a água já estiver fervendo, estará
apenas desperdiçando gás. O que estiver dentro da água levará o mesmo tempo para coziágua
nhar. O excesso de calor produzirá apenas a
evaporação mais rápida da água. É possível,
alimentos
entretanto, tornar a água mais quente que 100ºC,
aumentando a pressão. É o que fazem as panelas de pressão. Como são recipientes fechados,
conservam o calor e a pressão aumenta. Nessas panelas, em vez de ferver a 100º C, a água (e
o vapor) atinge temperaturas mais altas, cerca de 120 ºC. Evidentemente a carne, batata e feijão ou qualquer outro alimento cozinham
muito mais depressa. Como o vapor exerce uma pressão considerável, as panelas possuem válvulas de segurança que funcionam
quando a pressão atingir um ponto perigoso.
Na figura acima você tem um esquema de uma panela de pressão: ela tem uma tampa, vedada com uma argola de borracha; no
centro da tampa há uma válvula, que é mantida fechada por um pino relativamente pesado, mas que pode movimentar-se para cima,
permitindo a abertura da válvula; há também uma válvula de segurança, que só abre em situações extremas, quando a válvula central
estiver entupida e houver perigo de explosão. O alimento é colocado na panela, como uma certa quantidade de água. A panela é
15
FÍSICA
Módulo 02/14
fechada e levada ao fogo. O calor da chama aquece toda a
panela, elevando a temperatura da água até que ela ferva. Como
a panela é totalmente fechada, o vapor d’água que se vai formando não pode dispersar e a pressão interna da panela aumenta: torna-se maior que a pressão atmosférica. O aumento da
pressão faz com que a água no interior da panela entre em
ebulição, a uma temperatura acima de 100º C. A pressão do
vapor d’água, porém, aumenta até certo limite. Superado esse
limite, ela se torna suficientemente elevada para que o vapor
levante o pino da válvula central e comece a sair da panela. A
partir desse momento, a pressão do vapor se estabiliza porque
é controlada pelo escapamento do vapor através da válvula.
Em consequência, a temperatura no interior da panela também
não aumenta mais.
JAMES PRESCOTT JOULE
(1818 - 1889)
A panela de pressão foi inventada pelo físico francês
Denis Papin, que publicou em 1861 uma descrição do equipamento, denominando-o digestor. Numa reunião de cientistas
da Royal Society, Papin demonstrou que o seu invento era
capaz de reduzir ossos a gelatina comestível. Atualmente, esse
recipiente é empregado não só nas tarefas domésticas, mas
também nos hospitais (sob a forma de autoclaves para esterilizar material cirúrgico), na indústria de papel (como digestor
para cozer polpa de madeira) e nas fábricas de conservas alimentícias. No cozimento da polpa de madeira, por exemplo, a
pressão obtida por um digestor possibilita reduzir as lascas até
que as fibras se soltem o suficiente para fabricar o papel. Nos
hospitais, as altas temperaturas das autoclaves permitem esterilização mais segura. Nas fábricas de conservas, o cozimento
sob pressão garante melhor preservação dos alimentos, eliminando maior número de bactérias.
Fonte: http://www.vocesabia.net/ciencia/como-funciona-a-panela-depressao
16
LEITURA COMPLEMENTAR VIII
Participando da extraordinária variedade do universo, a
matéria e a energia podem apresentar-se sob as mais diversas
formas: um corpo em movimento está animado de energia
cinética, enquanto uma mola distendida tem energia potencial;
uma dinamite possui energia química; já um corpo eletricamente carregado armazena energia elétrica.
Essas formas de energia podem se transformar umas nas
outras: a mola distendida, ao ser liberada, ganha movimento, o
que significa que sua energia potencial se converte em energia
cinética. Analogamente, a energia química contida na gasolina
pode ser transformada, através da queima do combustível, em
energia cinética, aproveitada para movimentar um veículo. E a
produção de energia elétrica nas usinas hidrelétricas aproveita
a energia das quedas de água.
No entanto, a ideia de que a energia se apresenta em
diversas formas não surgiu espontaneamente. Até o início do
século XIX, por energia entendia-se apenas energia mecânica,
ou seja, cinética e potencial. E a constatação de que, na verdade, a energia cinética pode ser transformada em calor foi que
abriu caminho para essa nova concepção. Quando dois corpos
dotados de temperaturas diferentes são postos em contato,
ambos tendem a alcançar uma temperatura de equilíbrio, situada entre os dois valores iniciais: o corpo mais quente se torna
mais frio e, reciprocamente, o mais frio se aquece. Durante muito tempo, explicou-se esse fenômeno atribuindo aos corpos a
posse de uma substância a que se chamava calórico. Um corpo a alta temperatura conteria muito calórico, ao passo que
outro a baixa temperatura conteria pouco. Assim, quando dois
objetos nessas condições eram colocados em contato, o mais
rico em calórico transferiria uma parte dele para o outro.
Tal teoria era capaz de explicar satisfatoriamente muitos
fenômenos físicos, como por exemplo a condução do calor. A
ideia de que o calor é uma substância não podia, contudo,
resistir às evidências em contrário que começaram a surgir no
fim do século XVIII; foi, assim, substituída pela concepção de
que o calor é uma forma de energia; esse feito deveu-se principalmente a Benjamin Thompson, o conde Rumford. Thompson
trabalhava para o govêmo da Baviera, como supervisor na fabricação de canhões para o Exército. Esse trabalho era executado cavando-se um orifício no interior de um cilindro maciço de
ferro. Durante o processo, o ferro se aquecia, e o orifício era
FÍSICA
A terceira experiência do pesquisador foi aquela que lhe
trouxe fama; realizada em 1845, tornou-se clássica pela sua
engenhosidade. Os resultados que permitiu alcançar eram afetados por uma incerteza de 5 %, o que, para os padrões da
época, era uma excelente precisão. Joule não empregou mais
que um recipiente cheio de água, um termômetro, dois corpos
pesados e uma haste metálica dotada de algumas pás. Numa
das extremidades da haste, havia uma carretilha. A haste era
imersa na água, de modo que as pás pudessem girar livremente no interior do líquido. Da carretilha, que permanecia fora do
recipiente, saíam dois fios em direções opostas, cada um dos
quais passando por roldanas com eixos dispostos horizontalmente. Na ponta dos fios, amarravam-se os corpos pesados.
O bulbo do termômetro, imerso na água, permitia saber a temperatura.
A experiência consistia tão somente em suspender os
dois corpos pesados, por meio da carretilha, e depois liberá-la.
Os corpos, atraídos pela Terra, caíam, fazendo a carretilha girar;
esse movimento se transmitia à haste metálica, e dessa maneira
as pás giravam rapidamente no interior da água. Como
consequência, a temperatura do líquido se elevava, o que era
acusado pelo termômetro. Sabendo a altura de queda dos corpos, Joule pôde calcular a quantidade de calor que, fornecida à
água, era responsável pela elevação observada da temperatura. Chegou à conclusão que 1 caloria-grama é equivalente a
4,186 newton-metro (1 caloria-grama é a quantidade de calor
necessária para elevar 1 g de água de 14,5 a 15,50 C). Diz-se,
então, que o equivalente mecânico do calor é 4,186 N.m/cal.g.
Joule, porém, não parou aí: querendo mostrar que se obtém a mesma quantidade de calor a partir de uma dada quantidade de energia, não importando a maneira como ela é produzida, levou adiante outras experiências, todas elas conduzindo
ao mesmo resultado. A agitação do mercúrio, o atrito de anéis
de ferro em banhos de mercúrio ou a transformação de energia
elétrica em calor num fio imerso em água sempre levavam à
mesma proporcionalidade entre as formas de energia.
Após a morte do cientista, em 1889, resolveu-se atribuir
ao newton-metro a unidade de energia mecânica no sistema
MKS – o nome de joule. Ficava assim perpetuada a homenagem a um dos que mais ajudaram a estabelecer o princípio da
conservação da energia.
Módulo 02/14
então mantido cheio de água. Mas a água fervia, precisando
ser periodicamente substituída; ora, na época aceitava-se a
hipótese de que, para fazer a água ferver, era necessário fornecer-lhe calórico. Portanto, segundo as concepções vigentes,
havia uma transferência aparentemente ininterrupta de calórico
do ferro para a água. Tentava-se explicar o fato pela hipótese
de que, quanto mais finamente dividido um material, menor sua
capacidade em reter calórico. Thompson, porém, observou que
a água fervia mesmo depois que as ferramentas perdiam seu
corte, e não mais eram capazes de subdividir o metal do canhão. Além disso, esse mecanismo não obedecia a um princípio que justifica a aceitação de muitas ideias abstratas em física: o princípio da conservação. De fato, neste caso havia duas
quantidades que não se conservavam: a energia mecânica, que
devia ser continuamente despendida, e o calórico, que era incessantemente criado.
Após realizar uma série de experiências e tentar explicálas a partir da teoria do calórico, Thompson resolveu tentar
outro caminho. Em 1798, comunicou à Royal Society inglesa
que" ... raciocinando sobre esse assunto, não devemos nos
esquecer de considerar circunstância mais notável, ou seja, a
de que a fonte de calor gerado por atrito, nessas experiências,
era visivelmente inexaurível... parece ser extremamente difícil,
se não realmente impossível, formar uma ideia definida de alguma coisa capaz de ser excitada e transmitida na maneira pela
qual o calor era excitado e transmitido nessas experiências, a
menos que essa coisa seja movimento".
Isso contribuiu para derrubar a teoria do calórico, ao mesmo tempo que lançou o conceito de que o trabalho mecânico é o
verdadeiro responsável pelo aparecimento do calor no ato de
furar os canhões. A nova teoria só foi plenamente desenvolvida
anos mais tarde, graças a trabalhos de Julius Robert von Meyer,
Hermann von Helmholtz, L. A. Colding, e James Prescott Joule.
Joule, um industrial inglês nascido 24
de dezembro de 1818, dedicava-se à física
como passatempo. Obcecado pelas experiências bem feitas e pelas medidas precisas,
realizou uma série de observações sobre o
calor e seus efeitos. E foi no decorrer dessas pesquisas que estabeleceu o princípio
da conservação da energia, em bases mais
sólidas.
O principal feito de Joule consistiu em medir a quantidade de calor que se produz quando uma dada quantidade de
energia se transforma. Isso foi feito através de três experiências. Na primeira delas, um ímã em ferradura era colocado no
interior de um recipiente cheio de água; um pequeno eletroímã,
disposto entre os dois braços da ferradura, recebia corrente
elétrica. A rotação do dispositivo fazia a temperatura da água
elevar-se, e então era possível, a partir da corrente elétrica que
percorria o circuito, calcular a quantidade de energia mecânica
– de rotação do eletroímã – que se transformava em calor.
Na segunda experiência, Joule fez a água passar através
de tubos capilares. O atrito do líquido com o vidro dos capilares causava o aumento da temperatura do sistema. Esse acréscimo, comparado com a energia gasta no fornecimento de água
ao capilar, correspondia à quantidade de calor produzida. Joule
realizou ainda uma variante dessa experiência, substituindo a
água por vários gases diferentes, melhorando assim a precisão
de suas conclusões.
Fonte: ufsm.br/petfisica
17
FÍSICA
SELEÇÃO ENEM
Módulo 02/14
01. A panela de pressão permite que os alimentos sejam cozidos em água muito mais rapidamente do que em panelas
convencionais. Sua tampa possui uma borracha de vedação
que não deixa o vapor escapar, a não ser através de um
orifício central sobre o qual assenta um peso que controla
a pressão. Quando em uso, desenvolve-se uma pressão
elevada no seu interior. Para a sua operação segura, é necessário observar a limpeza do orifício central e a existência de uma válvula de segurança, normalmente situada na
tampa. O esquema da panela de pressão e um diagrama de
fase da água são apresentados abaixo.
03. O resultado da conversão direta de energia solar é uma das
várias formas de energia alternativa de que se dispõe. O
aquecimento solar é obtido por uma placa escura coberta
por vidro, pela qual passa um tubo contendo água. A água
circula, conforme mostra o esquema abaixo.
Fonte: Adaptado de PALZ, Wolfgang, "Energia solar e fontes alternativas". Hemus, 1981.
São feitas as seguintes afirmações quanto aos materiais
utilizados no aquecedor solar:
I. o reservatório de água quente deve ser metálico para
conduzir melhor o calor.
II. a cobertura de vidro tem como função reter melhor o
calor, de forma semelhante ao que ocorre em uma estufa.
III. a placa utilizada é escura para absorver melhor a energia radiante do Sol, aquecendo a água com maior eficiência.
Dentre as afirmações acima, pode-se dizer que apenas
está(ão) correta(s):
a) I
b) I e II
c) II
A vantagem do uso de panela de pressão é a rapidez para o
cozimento de alimentos e isto se deve:
a) à pressão no seu interior, que é igual à pressão externa.
b) à temperatura de seu interior, que está acima da temperatura de ebulição da água no local.
c) à quantidade de calor adicional que é transferida à panela.
d) à quantidade de vapor que está sendo liberada pela válvula.
e) à espessura da sua parede, que é maior que a das panelas comuns.
02. Se, por economia, abaixarmos o fogo sob uma panela de
pressão logo que se inicia a saída de vapor pela válvula, de
forma simplesmente a manter a fervura, o tempo de
cozimento
a)
b)
c)
d)
e)
18
será maior porque a panela “esfria”.
será menor, pois diminui a perda de água.
será maior, pois a pressão diminui.
será maior, pois a evaporação diminui.
não será alterado, pois a temperatura não varia.
d) I e III
e) II e III
04. Uma garrafa de vidro e uma lata de alumínio, cada uma
contendo 330mL de refrigerante, são mantidas em um refrigerador pelo mesmo longo período de tempo. Ao retirá-las
do refrigerador com as mãos desprotegidas, tem-se a sensação de que a lata está mais fria que a garrafa. É correto
afirmar que:
a) a lata está realmente mais fria, pois a capacidade
calorífica da garrafa é maior que a da lata.
b) a lata está de fato menos fria que a garrafa, pois o vidro
possui condutividade menor que o alumínio.
c) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, possuem
a mesma condutividade térmica, e a sensação deve-se
à diferença nos calores específicos.
d) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, e a sensação é devido ao fato de a condutividade térmica do
alumínio ser maior que a do vidro.
e) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, e a sensação é devido ao fato de a condutividade térmica do
vidro ser maior que a do alumínio.
FÍSICA
05. Numa área de praia, a brisa marítima é uma consequência
da diferença no tempo de aquecimento do solo e da água,
apesar de ambos estarem submetidos às mesmas condições de irradiação solar. No local (solo) que se aquece mais
rapidamente, o ar fica mais quente e sobe, deixando uma
área de baixa pressão, provocando o deslocamento do ar
da superfície que está mais fria (mar).
Como a água leva mais tempo para esquentar (de dia), mas
também leva mais tempo para esfriar (à noite), no fenômeno noturno (brisa terrestre) pode ser explicado da seguinte
maneira:
a) O ar que está sobre a água se aquece mais; ao subir,
deixa uma área de baixa pressão, causando um deslocamento de ar do continente para o mar.
b) O ar mais quente desce e se desloca do continente para
a água, a qual não conseguiu reter calor durante o dia.
c) O ar que está sobre o mar se esfria e dissolve-se na
água; forma-se, assim, um centro de baixa pressão, que
atrai o ar quente do continente.
d) O ar que está sobre a água se esfria, criando um centro
de alta pressão que atrai massas de ar continental.
e) O ar sobre o solo, mais quente, é deslocado para o mar,
equilibrando a baixa temperatura do ar que está sobre o
mar.
06. (ENEM/2006) A Terra é cercada pelo vácuo espacial e, assim, ela só perde energia ao irradiá-la para o espaço. O
aquecimento global que se verifica hoje decorre de pequeno desequilíbrio energético, de cerca de 0,3%, entre a energia que a Terra recebe do Sol e a energia irradiada a cada
segundo, algo em torno de 1W/m². Isso significa que a
Terra acumula, anualmente, cerca de 1,6 ×1022 J. Considere
que a energia necessária para transformar 1kg de gelo a
0°C em água líquida seja igual a 3,2 ×105 J . Se toda a
energia acumulada anualmente fosse usada para derreter o
gelo nos polos (a 0°C), a quantidade de gelo derretida anualmente, em trilhões de toneladas, estaria entre:
a)
b)
c)
d)
e)
20 e 40.
40 e 60.
60 e 80.
80 e 100.
100 e 120.
Nesse sistema de aquecimento,
a) os tanques, por serem de cor preta, são maus
absorvedores de calor e reduzem as perdas de energia.
b) a cobertura de vidro deixa passar a energia luminosa e reduz
a perda de energia térmica utilizada para o aquecimento.
c) a água circula devido à variação de energia luminosa
existente entre os pontos X e Y.
d) a camada refletiva tem como função armazenar energia
luminosa.
e) o vidro, por ser bom condutor de calor, permite que se
mantenha constante a temperatura no interior da caixa.
Módulo 02/14
À noite, ocorre um processo inverso ao que se verifica
durante o dia
07. O uso mais popular de energia solar está associado ao
fornecimento de água quente para fins domésticos. Na figura a seguir, é ilustrado um aquecedor de água constituído de dois tanques pretos dentro de uma caixa termicamente isolada e com cobertura de vidro, os quais absorvem energia solar.
08. Sob pressão normal (ao nível do mar), a água entra em
ebulição à temperatura de 100°C. Tendo por base essa informação, um garoto residente em uma cidade litorânea fez
a seguinte experiência:
•
•
•
Colocou uma caneca metálica contendo água no fogareiro do fogão de sua casa.
Quando a água começou a ferver, encostou cuidadosamente a extremidade mais estreita de uma seringa de
injeção, desprovida de agulha, na superfície do líquido
e, erguendo o êmbolo da seringa, aspirou certa quantidade de água para seu interior, tapando-a em seguida.
Verificando após alguns instantes que a água da seringa havia parado de ferver, ele ergueu o êmbolo da seringa, constatando, intrigado, que a água voltou a ferver após um pequeno deslocamento do êmbolo.
Considerando o procedimento anterior, a água volta a ferver porque esse deslocamento
a) permite a entrada de calor do ambiente externo para o
interior da seringa.
b) provoca, por atrito, um aquecimento da água contida
na seringa.
c) produz um aumento de volume que aumenta o ponto
de ebulição da água.
d) proporciona uma queda de pressão no interior da seringa que diminui o ponto de ebulição da água.
e) possibilita uma diminuição da densidade da água que
facilita sua ebulição.
19
FÍSICA
Módulo 02/14
09. O Sol representa uma fonte limpa e inesgotável de energia
para o nosso planeta. Essa energia pode ser captada por
aquecedores solares, armazenada e convertida posteriormente em trabalho útil. Considere determinada região cuja
insolação - potência solar incidente na superfície da Terra
- seja de 800 watts/m².Uma usina termossolar utiliza
concentradores solares parabólicos que chegam a dezenas de quilômetros de extensão. Nesses coletores solares
parabólicos, a luz refletida pela superfície parabólica
espelhada é focalizada em um receptor em forma de cano e
aquece o óleo contido em seu interior a 400°C. O calor
desse óleo é transferido para a água, vaporizando-a em
uma caldeira. O vapor em alta pressão movimenta uma turbina acoplada a um gerador de energia elétrica.
a) limpa de energia, contribuindo para minimizar os efeitos deste fenômeno.
b) eficaz de energia, tomando-se o percentual de oferta e
os benefícios verificados.
c) limpa de energia, não afetando ou alterando os níveis
dos gases do efeito estufa.
d) poluidora, colaborando com níveis altos de gases de
efeito estufa em função de seu potencial de oferta.
e) alternativa, tomando-se por referência a grande emissão de gases de efeito estufa das demais fontes geradoras.
11.
Considerando que a distância entre a borda inferior e a
borda superior da superfície refletora tenha 6 m de largura
e que focaliza no receptor os 800 watts/m² de radiação provenientes do Sol, e que o calor específico da água é 1 cal g–
1
ºC–1 = 4.200 J kg–1ºC–1, então o comprimento linear do refletor parabólico necessário para elevar a temperatura de 1 m³
(equivalente a 1 t) de água de 20°C para 100°C, em uma
hora, estará entre:
a)
b)
c)
d)
e)
15 m e 21 m.
22 m e 30 m.
105 m e 125 m.
680 m e 710 m.
6.700 m e 7.150 m.
10. Segundo dados do Balanço Energético Nacional de 2008,
do Ministério das Minas e Energia, a matriz energética
brasileira é composta por hidrelétrica (80%), termelétrica
(19,9%) e eólica (0,1%). Nas termelétricas, esse
percentual é dividido conforme o combustível usado, sendo: gás natural (6,6%), biomassa (5,3%), derivados de
petróleo (3,3%), energia nuclear (3,1%) e carvão mineral (1,6%). Com a geração de eletricidade da biomassa,
pode-se considerar que ocorre uma compensação do carbono liberado na queima do material vegetal pela absorção desse elemento no crescimento das plantas. Entretanto, estudos indicam que as emissões de metano (CH4)
das hidrelétricas podem ser comparáveis às emissões de
CO2 das termelétricas.
MORET, A. S.; FERREIRA, I. A. As hidrelétricas do Rio Madeira e os
impactos socioambientais da eletrificação no Brasil. Revista Ciência Hoje. V.
45, n.° 265, 2009 (adaptado).
No Brasil, em termos do impacto das fontes de energia no
crescimento do efeito estufa, quanto à emissão de gases,
as hidrelétricas seriam consideradas como uma fonte
20
De acordo com o relatório “A grande sombra da pecuária”
(Livestock’s Long Shadow), feito pela Organização das
Nações Unidas para a Agricultura e a Alimentação, o gado
é responsável por cerca de 18% do aquecimento global,
uma contribuição maior que a do setor de transportes.
Disponível em: www.conpet.gov.br. Acesso em: 22 jun. 2010.
A criação de gado em larga escala contribui para o aquecimento global por meio da emissão de:
a)
b)
c)
d)
e)
metano durante o processo de digestão.
óxido nitroso durante o processo de ruminação.
clorofluorcarbono durante o transporte da carne.
óxido nitroso durante o processo respiratório.
dióxido de enxofre durante o consumo de pastagens.
GABARITO
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
—
B
E
E
D
B
B
B
D
A
1
D
A
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