Aulas 23 e 24 de Fsica

23) gua no feijo, que chegou mais um!

Calor

Quente e frio so palavras normalmente usadas para expressar uma sensao. Associamos a palavra quente a situaes em que um objeto est com temperatura alta. palavra frio associamos a situaes em que um objeto, ou mesmo a atmosfera, est com temperatura baixa.

Na Fsica, calor uma forma de energia que est associada ao movimento das molculas que constituem um objeto. Ou seja, uma cerveja quente ou fria tem calor. Quando dizemos que uma cerveja est com temperatura alta, queremos dizer que suas molculas apresentam alto grau de agitao, que a energia cintica mdia dessas molculas grande - ou seja, que a quantidade de energia na cerveja grande!

Dizemos tambm que a propagao do calor pode ser entendida simplesmente como a propagao da agitao molecular. Quando esquentamos o feijo numa panela, percebemos claramente que a superfcie esquenta somente alguns minutos depois de termos colocado a panela no fogo. Isso acontece porque as molculas no fundo da panela comeam a se agitar primeiro, e demora um pouco at que essa agitao chegue superfcie.

Tambm possvel compreender o resfriamento de uma substncia como a diminuio da agitao molecular. Por exemplo: quando colocamos uma cerveja na geladeira, nossa inteno retirar parte de sua energia trmica, ou seja, diminuir a agitao molecular na cerveja.

Capacidade trmica

claro que, para agitar as molculas de dois litros de gua, ser necessria muito mais energia do que para agitar as molculas de um litro de gua. Podemos representar matematicamente essa dificuldade usando o conceito de capacidade trmica:

Com esta definio matemtica podemos calcular o calor necessrio que deve ser cedido a um corpo, se queremos que ele aumente sua temperatura de t, ou mesmo a quantidade de calor que deve ser retirada do corpo, se quisermos que sua temperatura diminua de t.

Unidades do calor

Como o calor uma forma de energia, sua unidade no Sistema Internacional (SI) o joule (J), mas comum usarmos outra unidade de calor, a caloria (cal), que tem a seguinte equivalncia com o joule:

1 cal = 4,18 J

O calor especfico

Ser que, se tivermos a mesma massa de gua e leo, e fornecermos a mesma quantidade de calor para cada uma, as duas substncias esquentaro no mesmo tempo? Sabemos que no! Essa concluso vem do fato de que cada material tem uma estrutura prpria. E devido a essa diferena que a panela de cobre esquenta mais rpido do que a de alumnio. A essa propriedade dos corpos chamamos de calor especfico.

Podemos escrever o calor especfico em termos da capacidade trmica, ou seja:

O calor especfico uma propriedade especfica de cada substncia, como podemos ver na tabela abaixo:

Podemos tambm calcular o calor cedido ou retirado de um corpo se soubermos o valor da sua massa, de seu calor especfico e da variao de temperatura:

Exerccios:

1) Explique por que uma pedra de gelo derrete mais lentamente que a mesma quantidade de gelo modo.

2) Uma geladeira que est cheia de alimentos e recipientes, que j esto com temperatura baixa, consome menos energia. Explique essa afirmao.

3) Normalmente, o motor de um automvel trabalha a uma temperatura de 90C. Em mdia, o volume de um radiador de 3 litros. Calcule a quantidade de calor absorvida pela massa de gua pura que foi colocada a uma temperatura ambiente de 20C. Supondo que o dono do carro colocasse um aditivo na gua e que o calor especfico desta mistura fosse 1,1 cal/g C, calcule novamente a quantidade de calor absorvida pelo conjunto, desprezando a alterao da massa.

24) A brisa do mar est tima!

J sabemos que, quando os objetos esto em contato, depois de um certo tempo eles tero a mesma temperatura, isto , eles atingem o equilbrio trmico: um dos objetos cede energia trmica (calor) e o outro recebe, de modo que, no equilbrio trmico, a energia trmica e a temperatura dos dois objetos sero iguais.

Mas como que a energia trmica se move? Como ela passa de um objeto para outro? Em outras palavras, como que o calor se propaga?

Descalo? Nem pensar!

Na praia, ao colocar o p na areia quente, Cristiana viu estrelas! Cristiana queimou o p por uma razo simples: a temperatura do p estava mais baixa que a temperatura da areia. Quando Cristiana colocou o p na areia, parte da energia trmica contida na areia passou para seu p, que sofreu um aumento rpido de temperatura, da a sensao de queimadura.

Esse modo de propagao de energia trmica chamado de conduo, e ocorre sempre que dois corpos de diferentes temperaturas so colocados em contato. Essa uma maneira muito comum de propagao de calor, que ocorre frequentemente no dia-a-dia.

Por exemplo: quando colocamos uma panela com gua para aquecer, a chama do fogo fornece energia trmica para o metal da panela. O metal, por sua vez, conduz o calor para o interior da panela, aquecendo a gua que l se encontra. Materiais como o metal, que conduzem o calor, isto , que permitem a sua passagem, so chamados de condutores trmicos.

Existem certos tipos de materiais que dificultam a passagem do calor: esses materiais so chamados de isolantes trmicos.

O isopor um material isolante. Ele dificulta a passagem do calor de fora para dentro. Desse modo, o ar no interior do isopor permanece resfriado por determinado perodo, mantendo fria a cerveja.

Pela mesma razo, o cabo das panelas feito de material isolante, que evita a passagem do calor do metal da panela para a nossa mo.

Sabemos que, quanto mais quente um material, mais os seus tomos vibram. O calor (energia trmica) transferido por meio dessas vibraes. Ento, para que haja conduo de calor preciso que existam tomos, e, portanto, um meio material!

Existe uma segunda forma de propagao de calor que chamada de radiao: nesse caso, a energia trmica se propaga sem a necessidade de um meio material.

Assim, os raios de Sol caminham pelo espao carregando energia. Ao incidir sobre a areia, esses raios podem ser absorvidos, cedendo energia para os tomos da areia, esquentando-a.

Esses raios podem tambm ser refletidos e, por exemplo, atingir a pessoa que est embaixo do guarda-sol. Desse modo, transferem energia para os tomos da pessoa, fazendo com que ela fique vermelha!

J aprendemos que, de modo geral, quando um corpo aquecido, ele se dilata. Com o ar ocorre o mesmo: ele se expande e ocupa um volume maior. Por isso, fica menos denso e sobe. No caso do ar frio, ele fica mais denso e desce.

Assim, o ar que est sobre a areia sobe e abre um espao que rapidamente ocupado pelo ar mais frio, aquele que est sobre o mar. Forma-se assim uma corrente de ar que chamamos de brisa martima, pois sopra do mar para a terra.

Depois que o Sol se pe, a gua e a areia deixam de receber calor e comeam a esfriar. Mas a areia esfria rapidamente, e a gua do mar demora a esfriar. Por isso, noite, o mar fica quentinho.

O ar que est sobre o mar fica mais quente do que o ar que est sobre a areia. Mais aquecido, fica menos denso e sobe. Assim, o ar que est sobre a areia se desloca em direo ao mar: a brisa terrestre.

Esta uma terceira forma de propagao de calor conhecida como conveco. Para ocorrer conveco preciso que exista matria, e que suas partes estejam a diferentes temperaturas, de modo que haja deslocamento de matria, que, ao se deslocar, conduz o calor. Esses deslocamentos so chamados correntes de conveco.

A conveco ocorre at que seja atingido o equilbrio trmico, isto , quando todas as partes estiverem mesma temperatura. Por causa da conveco o congelador colocado na parte superior da geladeira e os aparelhos de ar refrigerado devem ficar na parte superior dos cmodos.

Na parte superior, o ar resfriado, torna-se mais denso e desce, empurrando para cima o ar que est mais quente. Este encontra o congelador, resfriado e desce. O processo continua at que seja atingido o equilbrio trmico, isto , at que todo o ar esteja mesma temperatura.

Trs em um!

Existe um aparelho capaz de manter a temperatura de lquidos, por um bom tempo: a garrafa trmica.

Ela capaz de manter um lquido quente ou frio, graas combinao de trs fatores: ela evita a conduo, a radiao e a conveco de calor.

Abaixo do invlucro plstico existe uma garrafa formada por duas camadas de vidro. Entre as duas camadas quase no existe ar (vcuo). Sem ar no existem tomos, ou molculas, de modo que se evita a propagao de calor por conduo.

Alm disso, a superfcie do vidro espelhada, interna e externamente. Desse modo, quando h lquido quente no interior da garrafa, o calor que seria irradiado para fora refletido para dentro; caso o lquido seja frio, o calor de fora no penetra na garrafa, pois refletido pela superfcie do vidro. Isso evita a propagao de calor por radiao. E todas as partes do lquido dentro da garrafa estaro mesma temperatura, de modo que tambm no ocorre conveco.

Por isso, possvel conservar lquidos no interior de uma garrafa trmica, por um bom tempo, praticamente temperatura em que foi colocado, pois ela diminui ao mximo as trocas de calor entre o lquido e o meio ambiente.

Exerccios:

1) Ao anoitecer, a temperatura ambiente baixou bastante. Cristiana comeou a sentir frio e colocou seu agasalho. Por que ela fez isso? correto afirmar que os agasalhos nos aquecem?

2) Chegando em casa, Roberto ficou vontade: tirou os sapatos e ligou a televiso. Foi descalo at a cozinha fazer um lanche. Ao pisar no cho da cozinha sentiu um frio subir pela espinha! Correu para o tapete e, l, teve uma agradvel sensao: o frio passou! Explique por que isso acontece, lembrando que ambos, o cho e o tapete, esto em equilbrio trmico, isto , mesma temperatura (a do ambiente). Dica: o mesmo fenmeno ocorre quando tocamos a parte metlica e o cabo de