Termo2
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1) O documento apresenta um capítulo sobre o Sol e os combustíveis fósseis. 2) Discutem-se os combustíveis fósseis como carvão mineral e petróleo, formados a partir de animais e plantas soterrados ao longo de bilhões de anos. 3) Explica-se que quase toda a energia utilizada pelos humanos tem origem na energia solar, incluindo os combustíveis fósseis e fontes como hidroeletricidade.
Termo2
- 1. GREF Física Térmica. versãopreliminar para ler, fazer e pensar leituras de física 06. Sol: a fonte da vida. 07. O Sol e os combustíveis. 08. Calor e conforto. 09. Transportando o calor. 10. Cercando o calor. 11. Aquecimento e clima. 12. Aquecimento e técnica. 13. Calculando a energia térmica. 2
- 2. Leituras de Física é uma publicação do GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física Instituto de Física da USP EQUIPE DE ELABORAÇÃO DAS LEITURAS DE FÍSICA Anna Cecília Copelli Carlos Toscano Dorival Rodrigues Teixeira Isilda Sampaio Silva Jairo Alves Pereira João Martins Luís Carlos de Menezes (coordenador) Luís Paulo de Carvalho Piassi Suely Baldin Pelaes Wilton da Silva Dias Yassuko Hosoume (coordenadora) ILUSTRAÇÕES: Fernando Chuí de Menezes Mário Kano GREF - Instituto de Física da USP rua do Matão, travessa R, 187 Edifício Principal, Ala 2, sala 305 05508-900 São Paulo - SP fone: (011) 818-7011 fax:(011) 818-7057 financiamento e apoio: Convênio USP/MEC-FNDE Sub-programa de educação para as Ciências (CAPES-MEC) FAPESP / MEC - Programa Pró-Ciência Secretaria da Educação do Estado de São Paulo - CENP A reprodução deste material é permitida, desde que observadas as seguintes condições: 1. Esta página deve estar presente em todas as cópias impressas ou eletrônicas. 2. Nenhuma alteração, exclusão ou acréscimo de qualquer espécie podem ser efetuados no material. 3. As cópias impressas ou eletrônicas não podem ser utilizadas com fins comerciais de qualquer espécie. junho de 1998
- 3. 21 06 Sol: afonteda vida A energia: na fotossíntese e na respiração. O capim precisa de luz e calor do Sol. O gado come o capim. Você se alimenta das plantas e do gado. Você inspira o oxigênio fornecido pela planta. Você libera o gás carbônico e o calor que a planta necessita ...
- 4. 22 06 Sol: a fonte da vida. crescimento, a reprodução, etc.. Esse processo de liberação de energia é análogo ao de queima, é a respiração. material orgânico +oxigênio => CO2 +H2 O +energia Luz do Sol Que a folha traga e traduz.... Em verde novo. A música do Caetano Veloso conta um fenômeno que acontece no planeta, há muitos milhões de anos. A fotossíntese é o processo através do qual os vegetais produzem os alimentos, o combustível indispensável para a vida da planta, do homem e outros animais. Os vegetais necessitam da luz solar como a energia absorvida pelas plantas em suas reações químicas. É na fotossíntese realizada pelas plantas que ocorre o primeiro e principal processo de transformação de energia no ambiente terrestre. Os vegetais que possuem clorofila absorvem energia solar e gás carbônico do ar e realizam reações químicas produzindo material orgânico como açúcares, gorduras e proteinas e liberam oxigênio. A reação química que ocorre na fotossíntese poderia ser esquematizada da seguinte forma: H2 O + CO2 +luz -> material orgânico +oxigênio Fotossíntese e a vida animal. As pessoas e os animais também necessitam de energia para sua sobrevivência e suas atividades. Não produzimos, como as plantas verdes, a energia interna que armazenamos. Ao ingerirmos o a limento proveniente das plantas, parte das substâncias entram na constituição celular e outra parte fornece a energia necessária às nossas atividades como o A quantidade de energia contida em um alimento é medida através da energia obtida pela sua queima. Se queimarmos a mesma quantidade de pão e amendoim para aquecermos uma mesma quantidade de água, ao medirmos a temperatura da água no final da queima, perceberemos que ela ficará mais aquecida quando utilizamos o amendoim como combustível. O amendoim libera mais energia na queima por ser constituido de menor quantidade de água e por possuir substâncias mais calóricas que o pão. Esta energia é proveniente da reação de queima dos alimentos retirados do meio ambiente, por exemplo, das plantas verdes ou de animais como o gado que come as plantas verdes. A energia dos alimentos.
- 5. 23 Felizmente não precisamos fazer esta atividade sempre que quisermos saber o poder energético de um alimento. Encontramos tabelas que nos fornecem estas informações. Na tabela 6.1 por exemplo, estão especificados os teores de energia expressos em quilocalorias (Kcal) por 100g de alimento. 1kcal = 1000cal A energia dos alimentos representava para o homem primitivo a quase totalidade do seu consumo energético pois ele além de consumir os alimentos só usava a energia do fogo. Situação muito diferente acontece no mundo moderno.Só 5% do que o cidadão urbano consome atualmente corresponde à energia dos alimentos para sua subsistência. A maior parte provém dos combustíveis dos veículos, da energia elétrica para iluminar, tomar banho, aquecer e resfriar e da energia para a produção dos bens que ele utiliza. 1 caloria é definida como a quantidade de calor necessária para elevar de 1ºC a temperatura de 1grama de água no estado líquido. Alimentos Porções (100g) Energia (kcal) leitedevacacru meiocopo 63 queijo branco fresco umafatia 243 pão duasunidades 269 ovo duasunidades 163 carnedevaga (magra) umbife 146 peixe de mar frito dois filés 371 arroz cozido 3 colheres (sopa) 167 feijão cozido 5 colheres (sopa) 67 mamão umafatia 32 coca-cola meiocopo 39 batata frita 2 unidades 274 Tabela 6.1: Energia fornecida pelos alimentos. Fontes e trocas de calor. Devido ao nosso próprio metabolismo, absorvemos quantidades variadas de energia ingerindo os mesmos alimentos que outras pessoas. A perda de energia ao realizar as mesmas atividades também é uma característica pessoal, dependendo do tamanho corporal e da eficiência dos movimentos. Consumimos em média cerca de 3500 kcal de alimentos diariamente. O conhecimento da quantidade de energia liberada pelos alimentos no organismo é de interesse de médicos e nutricionistas, uma vez que a alimentação com excesso ou deficiência de calorias pode levar à obesidade, à doenças vasculares ou à subnutrição. EXPERIMENTE CALCULAR A QUANTIDADE DE ENERGIA FORNECIDA PELOS ALIMENTOS QUE VOCÊ INGERIU HOJE. As tabelas de dieta fornecem o valor de energia do alimento em grande caloria (Cal) em lugar de quilocaloria (Kcal). Neste caso, 1 Cal (caloria médica) corresponde à 1Kcal em Física. É possível se fazer um balanço entre a energia fornecida pelos alimentos e a energia consumida por uma pessoa durante um determinado tempo em suas atividades diárias.
- 6. 24 O Ciclo do Carbono. Na grande quantidade de transformações que ocorrem na Terra a fotossíntese, a respiração e a decomposição além de promoverem uma circulação da energia proveniente do Sol também são responsáveis pela circulação de um importante elemento químico, o carbono. O gás carbônico dissolve-se nas águas oceânicas entrando em contato com os íons de cálcio que vão sendo depositado lenta e continuamente no fundo dos oceanos. Ao longo de milhões de anos esses materiais originam rochas como o calcário ou o mármore. Os esqueletos e carapaças dos seres marinhos como lagostas, caranguejos, corais, mariscos, etc., são constituídos de carbonato de cálcio, a mesma substância que constitue o mármore. Esses animais retiram o gás carbônico e os íons cálcio diretamente da água do mar e quando morrem, também vão contribuir para a formação de carbonato que poderão formar rochas. A atmosfera, os vegetais, os animais e os oceanos são verdadeiros reservatórios de carbono do nosso planeta e os átomos de carbono migram de um reservatório para outro, através dos processos intimamente relacionados como a fotossíntese, a respiração e decomposição, constituindo o ciclo do carbono. Veja a figura apresentada a seguir: Tabela 6.2 dormir 78kcal/h ficar sentado 108kcal/h assistirà aulaou estudar 180kcal/h trabalhar 180kcal/h ficarempé 120kcal/h andar 228kcal/h Confira se você se alimenta bem do ponto de vista energético fazendo um balanço. Verifique quanta energia você gasta durante um dia inteiro. Quanta energia você consome no mesmo tempo? Você queima todas as calorias ingeridas? Certas dietas alimentares fixam em 1500 Calorias ( ou seja, 1500 Kcal de energia) o consumo energético diário visando uma gradual perda de peso de pessoas com alguns quilos a mais. Consulte a tabela 6.1 e proponha um cardápio energeticamente balanceado de um dia para essa dieta. Balanço energético. Diariamente ingerimos alimentos cuja energia é utilizada na realização de nossas atividades. Veja na tabela, ao lado, a taxa de utilização de energia medida em quilocalorias por hora em algumas atividades. Fontes e trocas de calor. Gref
- 7. 25 07 OSoleos combustíveis A lenha. O carvão mineral. O petróleo. O álcool de cana. De onde vem essa energia? Animais e plantas soterrados ao longo de bilhões de anos se transformaram em combustíveis fósseis. Na queima da lenha, do petróleo, do álcool de madeira ou de cana, transformamos energia química em térmica e em energia de movimento.
- 8. 26 07 O Sol e os combustíveis. As plantas ao realizarem fotossíntese garantem a produção de matéria orgânica e do oxigênio do ar necessários à vida animal. Ao morrerem, tanto as plantas como os animais, se decompoem muito rapidamente. Mas, ao longo de bilhões de anos, muitos organismos foram soterrados por areia ou lama e submetidos a intensas pressões sofrendo um processo de fossilização. A gasolina, o óleo diesel e outros derivados do petróleo são formados por fósseis vegetais e animais, assim como os alimentos, a lenha e o carvão vegetal, produzidos pelas plantas, são resultados da transformação de energia proveniente do Sol, através da fotossíntese, em energia química de ligação, prinicipalmente do carbono e hidrogênio. A pergunta que fica é: que origem tem a energia solar? Esta energia, também chamada energia radiante, é resultado da fusão nuclear que se dá no processo de evolução das estrelas. No caso do Sol, por exemplo, o tipo de fusão nuclear que ocorre faz com que núcleos de hidrogênio se juntem para compor núcleos mais complexos, como o de hélio. Para a fusão nuclear ser possível é preciso uma temperatura altíssima, de milhões de graus. Qual a origem inicial desta temperatura? Que fonte de energia a promove? Nova surpresa: é a energia gravitacional. Estrelas, como o Sol, se formam pela autocompactação gravitacional de grandes nuvens cósmicas que "caem sobre si mesmas" . Nesse processo a energia potencial gravitacional se transforma em energia cinética, térmica, garantindo a alta temperatura. essencial à fusão nuclear. Será que todas as fontes de energia que existem dependem da energia proveniente do Sol? Uma das fontes de energia no nosso planeta que não tem origem solar é a energia de fusão e fissão nuclear, usadas respectivamente nas terríveis bombas A e H e nas controversas usinas nucleares. Carvão mineral: um combustível fóssil. Os combustíveis fósseis são reservas da energia solar produzidas no passado. O Sol é o responsável por quase toda a energia que utilizamos. Tanto a hidroeletricidade como a energia dos ventos e as combustões de todos os tipos dependem da radiação solar -seja para a evaporação da água, para a circulação de ar ou para a fotossíntese -, que garante a formação dos combustíveis. O Sol e a energia que utilizamos. Os motores de automóveis, de outros veículos e as turbinas de aviões, necessitam de uma fonte de energia para a produção do movimento. A energia necessária é proveniente da queima de combustíveis como a gasolina, o álcool, o óleo diesel ou querosene.
- 9. 27 gás de cozinha + oxigênio -> CO2 + H2 O + calor O combustível mais utilizado nos fornos e fogões é o GLP (gás liquefeito de petróleo), contido em botijões de gás, que, ao ser liberado, entra em contato com o oxigênio do ar e, na presença de uma centelha, transforma energia química em energia térmica. Este processo recebe o nome de combustão. Combustível Calordecombustão (kcal/kg) álcooletílico (etanol)* 6400 álcoolmetílico (metanol)** 4700 carvãovegetal 7800 coque 7200 gáshidrogênio 28670 gásmanufaturado 5600a8300 gásnatural 11900 gasolina 11100 lenha 2800a4400 óleodiesel 10900 petróleo 11900 querosene 10900 TNT 3600 Tabela 7.1 * é obtido da cana de açúcar, mandioca, madeira. **é obtido de carvão, gás natural, petróleo. A combustão, presente tanto nos aparelhos residenciais como nos veículos usados como meio de transporte, libera energia para o meio aquecendo-o. Esta energia conhecida como calor, depende do combustível usado e do seu fluxo. Em todos estes processos em que ocorrem trocas de calor, os sistemas mais quentes aquecem os mais frios. Desta forma, "fonte de calor" é qualquer sistema que esteja mais quente que sua vizinhança. O grau de aquecimento de um objeto é caracterizado numericamente por sua temperatura, ou seja, quanto mais aquecido, maior sua temperatura. Sistemas a mesma temperatura não trocam calor, estão em equilíbrio térmico. Por isto, na Física, o calor é definido como uma das formas de transferência de energia entre sistemas a diferentes temperaturas. A quantidade de calor liberada durante a queima completa de uma unidade de massa da substância combustível é denominada calor de combustão. A tabela 7.1 fornece o calor de combustão de alguns combustíveis em kcal/kg. MAS QUAL OSIGNIFICADODESTAUNIDADE DEMEDIDA? Uma maneira de medirmos energia é compararmos a quantidade utilizada em determinada situação com a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de 1 grama de água, de 1o C, que chamamos caloria. Considerando que 1kcal é igual a 1000 calorias, quando o calor de combustão de um determinado combustível for igual a 1kcal/kg significa que em 1kg de combustível serão liberadas 1000 cal de energia durante a combustão. O valor do calor de combustão nos permite comparar a quantidade de calor liberado por massas iguas de diferentes combustíveis. OS MATERIAIS QUE QUEIMAM QUANDO ESTÃO EM CONTATO COM O AR E UMA CENTELHA SÃO CHAMADOS COMBUSTÍVEIS E O PROCESSO DE QUEIMA É CONHECIDO COMO COMBUSTÃO. Existem combustíveis que não precisam de uma centelha para iniciar a combustão. O palito de fósforo é um exemplo deste tipo. Neste caso, o atrito com o material da caixa é suficiente para fazer o palito pegar fogo. Os fornos, fogões e aquecedores em geral têm seu funcionamento baseado na queima de um combustível. Quando utilizamos combustíveis como gasolina, álcool, carvão, lenha, gás natural e outros, estamos transformando energia química em energia térmica. Fontes e trocas de calor.
- 10. 28 Só produzimos calor através da queima? Existem outras situações em que ocorrem transformações de energia térmica e o aquecimento também se encontra presente. As freadas, o esfregar das mãos, a compressão do ar pelas bombas de bicicleta e as marteladas, que envolvem processos tais como atrito, compressão dos gases e choques mecânicos, são algumas destas situações. Nestes casos, ocorre um aquecimento localizado que constitui uma fonte de calor em relação à sua vizinhança. O Sol e os combustíveis. Por outro lado, temos a sensação de frio, quando saimos de uma piscina. Isto acontece porque as gotículas de água em contato com o nosso corpo, retiram calor dele, para se evaporarem. Podemos perceber a liberação de calor numa situação em que umidecemos um pano com álcool e depois o colocamos na água. A dissolução do álcool na água se constitui numa fonte de calor que vai aquecer a vizinhança, no caso a nossa mão. ALÉM DESTES É POSSÍVEL TERMOS OUTROS PROCESSOS NOS QUAIS OCORRE AQUECIMENTO E ALGUMA "COISA" FUNCIONA COMO FONTE DE CALOR? Um outro modo de produzir calor é através da corrente elétrica circulando em alguns tipos de fios que se aquecem tanto que chegam a emitir luz, como é o caso do tungstênio do filamento das lâmpadas ou do níquel-cromo dos aquecedores de ambiente, fornos ou ferros elétricos. O conhecimento dos valores de energia fornecidos por cada combustível é importante para o dimensionamento dos queimadores e, em geral, para o planejamento, construção e uso dos fogões e outros aquecedores. 7.1- Consultando a tabela 7.1 responda: a) Indique o combustível que libera maior quantidade de calor por unidade de massa. b) Compare as quantidades de calor liberadas pela mesma massa de TNT e gasolina. c) Qual a relação entre as massas de gasolina e de álcool para a liberação da mesma quantidade de calor? d) Pesquise o preço de um quilograma de álcool e de um quilograma de gasolina. Estabeleça a razão entre custo e energia liberada para cada um deles. Essas razões são iguais? 7.2- É comum percebermos que a água de uma moringa é mais fresca do que a de uma garrafa de vidro. Explique por que existe essa diferença. 7-3- Pode-se cortar um arame exercendo nele movimentos de "vai e vem" repetidas vezes. Explique essa operação através da transformação de energia. 7.4- Quando alguns veículos descem uma serra longa e íngreme é comum sentirmos "cheiro de queimado" . Você é capaz de explicar este fato? O que acontece nesta situação? Exercícios.
- 11. 29 08 Calor e conforto. O calor do Sol chegando até nós. Como o calor se propaga nas situações cotidianas? As trocas de calor que ocorrem numa cozinha. De toda energia do Sol que chega a Terra, 30% é refletida nas camadas superiores da atmosfera. Os 70% restante são absorvidos pelo ar, água, solo, vegetação e animais. Essa energia, que garante a existência de vida na Terra, é trocada entre todos os elementos e retorna para o espaço como radiação térmica. O homem utiliza a tecnologia para trocar calor com o meio ambiente de uma maneira confortável.
- 12. 30 08 Calor e conforto O CALOR FLUI ESPONTANEAMENTE DE UMA FONTE QUENTE PARA UMA FONTE FRIA. OCALOR SE PROPAGA NO AR,NA ÁGUA,NO SOLO E NOS OBJETOS ATRAVÉS DE UM MEIO MATERIAL. Parte desta energia (30%) é refletida nas altas camadas da atmosfera voltando para o espaço. Cerca de 46,62% dessa energia aquece e evapora a água dos oceanos e rios; 16,31% aquece o solo; 7% aquece o ar e 0,07% é usada pelas plantas terrestres e marinhas na fotossíntese. Toda energia absorvida na Terra acaba sendo emitida para o espaço como radiação térmica. A luz e o calor do Sol quando chegam até nós já percorreram 149 milhões de quilômetros atravessando o espaço vazio, o vácuo, pois a camada atmosférica que envolve a Terra só alcança cerca de 600 Km. Esse processo de propagação de calor que não necessita de um meio material é a irradiação. O Sol irradia energia em todas as direçãoes. De toda energia liberada pelo Sol, só 1,4 bilionésimos chega até a Terra. Um objeto pode ser aquecido por mais de um processo ao mesmo tempo. Numa cozinha você encontra várias fontes de calor e situações de trocas interessantes. Faça a próxima atividade. O ar em contato com o solo aquecido atinge temperaturas mais altas do que o das camadas mais distantes da superfície. Ao se aquecer ele se dilata ocupando um volume maior e tornando-se menos denso, sobe. Em contato com o ar mais frio, perde calor, se contrai, e desce. O deslocamento do ar quente em ascenção e de descida do ar frio, as chamadas correntes de convecção, constituem um outro processo de propagação de calor, a convecção. Esse processo ocorre no aquecimento de líquidos e gases. Nos sólidos o calor é conduzido através do material. É devido à condução de calor através do metal que o cabo de uma colher esquenta quando mexemos um alimento ao fogo.
- 13. 31 A cozinha : Um bom laboratório de Física Térmica. Ao entrar numa cozinha em funcionamento você se depara com algumas fontes de calor e um ambiente aquecido. Relacione estas fontes. Analise as situações em destaque 1- Quando se aquece água em uma vasilha de alumínio, há formação de bolhas de ar que sobem, enquanto outras descem. Se você colocar serragem na água esse fenômeno fica mais evidente. -Quais os processos de propagação de calor envolvidos nesta situação? -Colocando uma pedra de gelo sobre a água fria também se observam as correntes de convecção ? 2- Quando colocamos a mão ao lado e abaixo de uma panela que foi retirada do fogo, sentimos a mão aquecida . - A que processo de propagação de calor você atribui o aquecimento da mão? 3- Como se dá a propagação do calor do forno para o ambiente? - Compare a temperatura dos armários localizados próximos ao chão com a dos localizados no alto. A que você atribui essa diferença de temperatura? 4- Observe uma geladeira. Será que o congelador tem que estar sempre na parte de cima? Por que? E as suas prateleiras, elas precisam ser vazadas? Por que? 5- Quando você coloca uma travessa retirada do forno sobre uma mesa utilizando uma esteira, qual o processo de troca de calor que você está evitando? 6- Investigue as diferentes panelas, travessas que vão ao forno e para a mesa. Faça uma lista dos diferentes materiais que encontrou. Fontes e trocas de calor.
- 14. 32 Dicas da cozinha: Na cozinha de sua casa, os fornos atingem temperaturas de cerca de 400o C. Nas indústrias metalúrgicas a temperatura dos fornos é muito maior, da ordem de 1500o C, mas os processos de propagação de calor são os mesmos. Ao aquecer a água , a serragem deve ter ajudado a evidenciar as correntes de convecção. A camada inferior de água é aquecida por condução, pelo alumínio da panela. A água aquecida se dilata e sobe, sendo que a água da camada superior mais fria, se contrai e desce. Também observarmos as correntes de convecção, esfriando a camada superior da água com uma pedra de gelo. É para facilitar a convecção do ar que as prateleiras das geladeiras são vazadas. O ar quente sobe, resfria-se em contato com o congelador sempre localizado na parte de cima da geladeira, se contrai e desce resfriando os alimentos. A temperatura mais elevada dos armários superiores da cozinha são também uma conseqüência da convecção do ar. O ar quente sobe, e permanece em contato com eles. É para evitar a condução do calor que usamos uma esteira entre a vasilha aquecida e a mesa, que queremos preservar. Você deve ter ficado em dúvida ao colocar a mão ao lado e abaixo da panela. Quando colocada abaixo da panela a mão não poderia ser aquecida por convecção pois o ar quente sobe. Neste caso, a propagação do calor se deu por condução através do ar, ou por irradiação? Afinal o piso da cozinha se aquece devido a condução do calor do forno e da chama do fogão pelo ar, ou por irradiação? Para responder estas questões vamos procurar mais informações sobre a condução do calor pelos materiais. Numa cozinha, há uma grande variedade deles como você deve ter observado. Esses novos dados, vão responder outras questões relativas aos materiais utilizados em cozinhas, indústrias, moradias e roupas. Exercício: 8.1- Para observar correntes de convecção um aluno mergulhou 1 ou 2 objetos de alumínio aquecidos (cerca de 100o C) num balde com água a temperatura ambiente, em várias posições. Relacione cada uma das situações ilustradas com a respectiva corrente de convecção que deve ter sido observada. Calor e conforto
- 15. 33 09 Transportando ocalor. Utensílios. Materiais de Construções. Roupas. Isolantes ou Condutores? Um cobertor de lã é "quente" ? Ele produz calor ? Por quê os cabos de panelas normalmente não são feitos de metal? Por quê sentimos um piso de ladrilho mais frio do que um de madeira, apesar de ambos estarem à temperatura ambiente?
- 16. 34 09 Transportando o calor: de isolantes a condutores. Tabela 9.1 Encontrar o material adequado para um uso específico, pode ser uma tarefa simples como escolher um piso frio para uma casa de praia, ou tão complexa como definir a matéria prima das peças de motores de carros. É importante na escolha de materiais levarmos em conta o seu comportamento em relação a condução térmica. Para compararmos esses materiais segundo essa característica, definimos uma propriedade: o coeficiente de condutividade que indica quantas calorias de energia térmica são transferidas por segundo, através de 1 cm do material, quando a diferença de temperatura entre as extremidades é de 1o C. A tabela 9.1 nos permite comparar a condutividade de alguns materiais sólidos. Traz também o coeficiente de um líquido (a água) e de um gás (o ar) com os quais trocamos calor constantemente. Sendo o coeficiente de condutividade do ar muito baixo, como mostra a tabela, podemos afirmar que o calor quase não se propaga através do ar por condução. Quando Os cabos de panelas são de madeira ou de material plástico (baquelite) porque quando a panela está quente, eles sempre se encontram à uma temperatura bem menor, o que nos permite retirar a panela do fogo segurando-a pelo cabo. Ao tocarmos um piso de madeira, temos a sensação de que este é mais quente que o piso de ladrilho.O pé e o ladrilho trocam calor muito mais rapidamente do que o pé e a madeira. A madeira é um mau condutor de calor. Os maus condutores de calor são chamados de isolantes térmicos. sentimos calor ao colocarmos a mão abaixo de uma panela quente, a propagação não poderia ter ocorrido por convecção pois o ar quente sobe, nem por condução pois ela é muito pequena, tendo sido portanto irradiado. A tabela 9.1 nos mostra também que os metais e as ligas metálicas são bons condutores de calor. Ser um bom condutor de calor, entre outras propriedades faz com que o aço, o ferro e o alumínio sejam a matéria prima das peças de motores de carros. Nesses motores a combustão, o calor interno devido a explosão do combustível é muito intensa e deve ser rapidamente transferido para o meio ambiente, evitando que as peças se dilatem e até mesmo se fundam. MAS,AFINAL COMO É QUE ACONTECE A CONDUÇÃO DE CALOR NOS DIVERSOS MATERIAIS?EXISTE UMA DIFERENÇA ENTRE A CONSTITUIÇÃO DO ALUMÍNIO À TEMPERATURA AMBIENTE OUDOALUMÍNIOAQUECIDO? Não podemos ver como as substâncias são constituídas, nem mesmo com microscópios potentes, mas podemos imaginar como elas são fazendo um "modelo" baseado em resultados experimentais. Como são constituídos os materiais? Um modelo proposto pela comunidade científica, é o que supõe que todas as substâncias são formadas por pequenas porções iguais chamadas moléculas. As moléculas diferem umas das outras pois podem ser constituídas por um ou mais átomos iguais ou diferentes entre sí.
- 17. 35 Os átomos do alumínio como as molécualas dos outros sólidos nesse modelo estão organizados formando uma estrutura regular chamada de rede cristalina. Neste modelo de matéria imaginamos que as moléculas não ficam paradas e sim que elas oscilam. Essa oscilação é mais ou menos intensa dependendo da temperatura do material. Os átomos do alumínio de uma panela aquecida vibram mais do que se estivessem à temperatura ambiente. Os átomos que estão em contato com a chama do fogão adquirem energia cinética extra e vibrando mais intensamente, interagem com os átomos vizinhos que, sucessivamente interagem com outros, propagando o calor por toda extensão da panela. É dessa forma que o nosso modelo explica a propagação do calor por condução. Cada substância é formada por um tipo de molécula diferente que a caracteriza. No caso do alumínio que está no estado sólido, os átomos estão próximos uns dos outros e interagem entre sí. Esses átomos não mudam de posição facilmente e por isso os sólidos mantêm a forma e o volume. Em materiais onde as moléculas interagem menos umas com as outras a condução do calor é menos eficiente. É o caso do amianto, da fibra de vidro, da madeira. Veja que isso está de acordo com os valores dos coeficientes de condutividade da tabela 9.1. Assim como os sólidos, os líquidos e os gases também são formados por moléculas; porém, essas moléculas não formam redes cristalinas. Isto faz com que a propagação do calor nos líquidos e nos gases quase não ocorra por condução. Num líquido, as moléculas se movimentam mais livremente, restritas a um volume definido e a sua forma varia com a do recipiente que o contém. Nesse caso, o calor se propaga, predominantemente, através do movimento de moléculas que sobem quando aquecidas e descem quando resfriadas, no processo de convecção. Nos gases, as moléculas se movimentam ainda mais livremente que nos líquidos, ocupando todo o espaço disponível; não tem forma nem volume definidos. A convecção também é o processo pelo qual o calor se propaga, predominantemente, nos gases. Escolhendo os materiais. Em lugares onde o inverno é rigoroso, as paredes são recheadas de material isolante e os encanamentos de água são revestidos de amianto para evitar perdas de calor por condução e convecção. Dependendo das condições climáticas de um lugar, somos levados a escolher um tipo de roupa, de moradia e até da alimentação. Roupa "quente" ou "fria"? Mas, é a roupa que é quente? Uma roupa pode ser fria? O frio que sentimos no inverno é devido às perdas de calor do nosso corpo para o meio ambiente que está a uma temperatura inferior. A roupa de lã não produz calor, mas isola termicamente o nosso corpo, pois mantém entre suas fibras uma camada de ar. A lã que tem baixo coeficiente de condutividade térmica diminui o processo de troca de calor entre nós e o ambiente. Esse processo deve ser facilitado no verão como o uso de roupas leves em ambiente refrigerados. Nos sólidos a irradiação do calor ocorre simultaneamente à condução. Nos líquidos e nos gases a condução e irradiação de calor também ocorrem simultaneamente à convecção. Fontes e trocas de calor.
- 18. 36 Como trocamos calor com o ambiente? Apesar de perdermos calor constantemente, o nosso organismo se mantém a uma temperatura por volta de 36,5o C devido à combustão dos alimentos que ingerimos. Quanto calor nós perdemos? Como perdemos calor"? Os esportistas sabem que perdemos mais calor, ou seja, gastamos mais energia quando nos exercitamos. Um dado comparativo interessante é que quando dormimos perdemos tanto calor quanto o irradiado por uma lâmpada de 100 watts; só para repor esta energia, consumimos diariamente cerca de 1/40 do nosso peso de alimentos. Você já observou que os passarinhos e os roedores estão sempre comendo? Por estar em constante movimento, esses animais pequenos necessitam proporcionalmente de mais alimentos que um homem, se levarmos em conta o seu peso. 9.4- No livro "No país das sombras longas", Asiak, uma personagem esquimó, ao entrar pela primeira vez numa cabana feita de troncos de árvores num posto de comércio do Homem Branco comenta: "Alguma coisa está errada, em relação ao Homem Branco. Por que ele não sabe, que um iglú pequeno é mais rápido de ser construído e mais fácil de se manter aquecido do que uma casa enorme?". Discuta esse comentário fazendo um paralelo entre os tipos diferentes de habitações. (Obs: Compare os coeficientes de condutividade da madeira, do gêlo e do concreto). 9.3- As geladeiras e fornos normalmente têm sua estrutura (carcaça) de chapas metálicas que são bons condutores de calor. Como elas conseguem "reter"o calor fora da geladeira ou no interior do forno? RESOLUÇÃO: Tanto as carcaças das geladeira como a dos fornos são fabricadas com duas paredes recheadas com um material isolante. Os isolamentos térmicos mais eficientes são a lã de vidro e a espuma de poliuretano. Eles evitam que o calor seja conduzido do ambiente para o interior da geladeira. No caso dos fornos, eles impedem as perdas de calor por condução do interior do forno para fora. Um animal pequeno tem maior superfície que um de grande porte proporcionalmente ao seu peso e é por isso que têm necessidade de comer mais. Não é só a quantidade de alimentos que importa mas sua qualidade. Alguns, alimentos como o chocolate, por exemplo, por serem mais energéticos, são mais adequados para serem consumidos no inverno quando perdemos calor mais facilmente. É através da superfície que um corpo perde calor. Além disso, ao anoitecer a temperatura no deserto cai rapidamente, sendo que a roupa de lã proteje os viajantes impedindo o fluxo de calor do corpo para o exterior. 9.2 - Asas delta e para-gleiders, conseguem atingir locais mais altos do que o ponto do salto, apesar de não terem motores. O mesmo ocorre com planadores que após serem soltos dos aviões rebocadores, podem subir. Como você explica esse fato? RESOLUÇÃO: As pessoas experientes que saltam de asas delta ou para-gleiders conseguem " aproveitar " as Trocando calor... 9.1 - Cenas de filmes mostram habitantes de regiões áridas atravessando desertos usando roupas compridas de lã e turbantes. Como você explica o uso de roupas "quentes" nesses lugares onde as temperaturas atingem 50o C? RESOLUÇÃO: Em lugares onde a temperatura é maior do que a do corpo humano (36o C) é necessário impedir o fluxo de calor do ambiente para a pele do indivíduo. A lã, que é um bom isolante térmico, retém entre suas fibras uma camada de ar a 36o C e dificulta a troca de calor com o ambiente. correntes ascendentes de ar quente para subirem e planar em pontos mais elevados do que o do salto. Para descer procuram as correntes de ar frio, descendo lentamente. Em todos esses vôos o ângulo de entrada na corrente de convecção do ar, o "ângulo de ataque" determina a suavidade da subida ou pouso, e até mesmo a segurança do tripulante, no caso de mudanças climáticas bruscas, (ventos fortes, chuvas, etc.).
- 19. 37 10 Cercandoocalor. A estufa. A garrafa térmica. O coletor solar. Se o calor "consegue" entrar no carro, porque ele não sai? Como os materiais "absorvem"e emitem calor? Quem já entrou num carro que tenha ficado estacionado ao Sol por algum tempo vai entender o significado da expressão "cercando o calor".
- 20. 38 A estufa. Quando um carro fica exposto ao Sol o seu interior se aquece muito principalmente porque os vidros deixam entrar a luz que é absorvida pelos objetos internos e por isso sofrem uma elevação de temperatura. Costumamos dizer que o carro se transformou numa estufa. De fato, as estufas utilizadas no cultivo de algumas plantas que necessitam de um ambiente aquecido para se desenvolverem sào cobertas de vidro. Mas, porque o lado de dentro fica mais quente que o lado de fora? O calor do Sol chega até nós na forma de luz visível, por irradiação. Para explicar a irradiação, seja a do Sol, de um forno ou de qualquer objeto aquecido, temos que pensar na luz como uma onda eletromagnética, semelhante às ondas de rádio ou às de raio X. Novamente estamos recorrendo a um modelo para explicar um fenômeno. Essas ondas não necessitam de um meio material para serem transportadas. Nesse processo de propagação de calor, somente a energia é transmitida. A luz do Sol, interpretada como uma onda eletromagnética atravessa o vidro do carro ou da estufa e incide nos objetos internos. Eles absorvem essa radiação e emitem radiação infra-vermelha (calor) que fica retida no interior do carro, impedida de sair por que o vidro é "opaco" a ela, tendo um efeito cumulativo. Além disso, a troca de calor com o ambiente externo por condução é dificultada porque o ar de fora também está quente e o vidro é um mau condutor de calor. Absorção da luz. Qualquer objeto que receba a luz do Sol absorve energia , se aquece e emite calor. A interação da luz com a matéria só ocorre nos pontos onde a luz incidiu. Isto pode ser observado no desbotamento dos tecidos e papéis expostos ao Sol, que só ocorrem em alguns pontos. 10 Cercando o calor. NA IRRADIAÇÃO SOMENTE A ENERGIA É TRANSMITIDA. AS ONDAS ELETROMAGNÉTICAS NÃO NECESSITAM DE UM MEIO MATERIAL PARA SEREM TRANSPORTADAS. NAS INTERAÇÕES C OM OS MATERIAIS A LUZ SE COMPORTA COMO PARTÍCULA. Esse efeito localizado só é explicado se interpretarmos que a luz nessa interação com a matéria se comporta como partícula. Esse modelo, o modelo quântico, considera a energia luminosa como grãos de energia, os fotons. Os objetos absorvem fotons de energia da luz incidente e depois emitem fotons de energia mais baixa. Estes dois aspectos da luz: se comportar como onda ou como partícula na interações com a matéria são conhecidos como a "dualidade onda-partícula". Este modelo será estudado com mais detalhes no curso de Óptica e Eletromagnetismo. Veja agora como "aprisionamos" calor impedindo a absorção ou emissão de radiação e outras trocas de calor num utensílio de uso diário em nossas casas. A garrafa térmica. Inventada no final do século passado pelo cientista Dewar, essa vasilha impede a propagação do calor por condução, por convecção ou por irradiação. É constituida de paredes duplas entre as quais se retirou quase todo o ar, evitando assim que o calor se perca por convecção ou por condução. Para evitar as perdas de calor por radiação, as paredes são prateadas: a interna, na parte em contato com o líquido para refletir as ondas de calor do interior impedindo-as de sair e a externa, na parte de fora para refletir as ondas de calor que vem do meio ambiente impedindo-as de entrar. COMO A GARRAFA TÉRMICA MANTÉM LÍQUIDOS A TEMPERATURAS INFERIORES A DO AMBIENTE ?
- 21. 39 Fontes e trocas de calor. Um aparelho construído para "cercar" o calor com a função de aquecer a água é o coletor solar. Depois das leituras sobre a propagação do calor e com algumas investigações você pode fazer a próxima atividade. O sistema de captação de energia solar foi idealizado no século XVIII pelo cientista suiço Nicolas de Saussure. Utilizado hoje em residências e indústrias este aparelho capta a energia solar e impede as perdas de calor por irradiação e condução, para o ambiente, com a finalidade de aquecer a água. O Sol, fonte de energia gratuita, disponível algumas horas por dia, ao substituir os combustíveis comuns, preserva as reservas de energia fóssil e não polui. Você pode construir um aquecedor simples levando e conta o que aprendeu e com alguma pesquisa. Atividade: Construção de um coletor solar. 1- Escolha um tubo através do qual deve circular a água e que será exposto ao Sol. Da escolha de um tubo de borracha, PVC ou metal, dependerá a eficiência do seu coletor. Consulte a tabela de condutividade. 2- Você acha que é necessário que o tubo forme uma serpentina como o do esquema apresentado? Por que? 3- Esse tubo deve ser pintado? De que cor? Investigue a influência da cor dos objetos na absorção da energia térmica medindo a temperatura de objetos brancos (de mesmo material), pretos e de outras cores que tenham ficado expostos ao Sol durante o mesmo tempo. A partir da sua investigação qual cor de tinta é a mais indicada. Por quê? 4- Os coletores solares industrializados são cobertos por uma chapa de vidro. Verifique como a colocação desse dispositivo melhora a eficácia de seu aparelho.Lembre-se da estufa! 5- Encontre soluções para evitar as perdas de calor do seu aquecedor para o exterior. Consulte a tabela 9-1. 6- O posicionamento da entrada de água fria pela extremidade inferior do tubo e da saída de água quente pela extremidade superior do aquecedor esquematizado deve ser mantida? Por quê? 7- Meça a temperatura atinjida pela água no seu coletor solar. Compare a eficiências do seu aparelho com a dos seus colegas e com a dos aparelhos industrializados.
- 22. 40 Cercando o calor. ... "Eu queria um mastro anodizado em preto. O que significou um considerável transtorno. A anodização foi feita na Holanda, o transporte uma complicação, e os palpites contrários um inferno. "Por que preto?" "Para que anodizações e complicações?" Por uma razão simples que não tinha certeza se iria funcionar. Mas não custava tentar. Durante a grande e única tempestade a bordo do Rapa Nui, ví seus mastros se cobrirem de gelo. A grande quantidade de gelo travou as velas no lugar, impedindo que fossem erguidas ou baixadas e pior, acumulando peso. Um perigo para a estabilidade de um veleiro. Pensei então, que, se o mastro fosse de uma cor não refletora, ele absorveria calor - da luz - suficiente para não permitir o acúmulo de gelo, ou o conhecido fenômeno Icing. "Um mastro solar", eu brincava. Todo preto. Uma idéia cuja utilidade seria comprovada uma única vez, mas à qual eu seria eternamente grato.".... (pág.84) ... (pág.178) "Se o tempo não piorasse não haveria que sair de novo, abaixar a vela grande e subir o pequeno triângulo de mau tempo. Vestido com botas, luvas, trajes completos de manobra, cinto de segurança, eu controlava ao mesmo tempo o indicador de vento e as velas. Ãs 22:00 GMT, o ponteirinho do anemômetro passou dos cinquenta e cinco nós. "Vamos lá, não dá pra esperar. Reduzir mais." Uma camada de gelo formara-se sobre o mastro e o trilho no qual ficava presa a vela! Minha nossa! Nenhuma força no mundo faria descer a vela num mastro congelado. Agarrado nos primeiros degraus subi uns dois metros, apoiado na vela, e então descobri o quanto foi importante insistir na cor preta do mastro. Ao tocar no gelo, ele desprendeu-se como um picolé saindo da fôrma. Subi até a primeira cruzeta e em segundos não havia mais gelo sobre a superfície escura do mastro. Todas as outras ferragens, que não eram pretas, estavam cobertas. Desci a vela, amarreia-a como pude e, no lugar, subi o triângulo de mau tempo. Em menos de cinco minutos, estava de volta ao conforto da torre."... (pág.178) O Efeito Estufa. A Terra recebe diariamente a energia solar que é absorvida pelo planeta e emitida na forma de radiação infravermelha para o espaço. Uma parcela desse calor volta para nós retido pela atmosfera. O vapor d'água e o gás carbônico e o CFC (cloro, fluor, carbono) presentes na atmosfera, deixam passar luz solar, mas absorvem a radiação infravermelha emitida pela Terra devolvendo-a para a superfície o que constitui o efeito estufa. O oxigênio e o nitrogênio transparentes tanto a luz solar como ao infravermelho, não colaboram para o efeito estufa. É devido ao efeito estufa que o nosso planeta se mantém aquecido durante a noite. Sem esse aquecimento a Terra seria um planeta gelado, com poucas chances de propiciar o surgimento da vida. Há milhares de anos, a temperatura média da Terra é de 150 C, isto porque toda energia que chega do Sol é emitida como radiação infravermelha para o espaço. Porém, no último século a temperatura média da Terra aumentou cerca de 0,50 C. Alguns pesquisadores atribuem esse aumento ao efeito estufa causado por um acréscimo da concentração de gás carbônico (CO2 ) na atmosfera, devido a combustão de carvão, usado na geração de energia elétrica e do petróleo nos meios de transporte. Se a concentração de CO2 , na atmosfera aumentar muito, quase toda radiação infra vermelha voltará para o Planeta que se aquecerá cada vez mais. É um aquecimento de grandes proporções que tememos. Ele poderia transformar terras férteis em solos áridos e provocar o derretimento das geleiras dos polos inundando as regiões litorâneas. Não é a toa que o efeito estufa é para nós sinônimo de ameaça. Por que Preto? Em seu livro Paratii, Amyr Klink, narra a sua decisão de importar um mastro para seu barco "Paratii" , que navegaria até a Antártida. O mastro deveria ser anodizado, esto é, ter a superfície do alumínio coberta por uma cor, sem ser pintada. Amyr conta também como essa decisão foi para ele de vital importância.
- 23. 41 11 Aquecimento e clima Brisas amenas ou vendavais assustadores? O que propicia a formação dos ventos? O solo, a água e a vegetação, entretanto, alcançam temperaturas diferentes ao receberem a mesma quantidade de radiação solar. Esse aquecimento diferenciado, juntamente com as características de cada região determinam o seu clima. A inclinação do eixo da Terra, a localização de uma região (latitude e longitude) determinam a quantidade de radiação solar que a região recebe.
- 24. 42 11 Aquecimento e clima. A quantidade de calor necessária para elevar de 1o C a temperatura de uma unidade de massa de cada substância é chamada de calor específico. Quando a radiação solar incide sobre a terra, ela é quase totalmente absorvida e convertida em calor. Além disso, esse aquecimento fica restrito a uma fina camada de terra uma vez que esta é má condutora de calor. Por outro lado, sendo a água quase transparente, a radiação, ao incidir sobre o mar, chega a aquecer a água sem maior profundidade. Assim sendo, a massa de terra que troca Você vai verificar com essa atividade que para massas iguais de areia e água que recebem a mesma quantidade de calor a elevação da temperatura da areia é bem maior. A areia também perde calor mais rapidamente do que a água quando retirada do Sol. Retirando as vazilhas do Sol, você pode comparar as quedas de temperatura da areia e da água ao longo do tempo. Deixe em duas vazilhas rasas a mesma massa de água e de areia expostas ao Sol. Meça a temperatura da água e da areia algumas vezes, anotando esses valores. Aquecendo areia e água. O aquecimento diferenciado do solo, da água e da vegetação, a presença de maior ou menor quantidade desses elementos numa localidade, as diferentes formaçãoes rochosas, como as montanhas e vales, determinam o clima de uma região. O homem pode interferir nesse equilíbrio ao lançar no ar partículas de gás carbônico (CO2 ) em quantidade que alterem significativamente a atmosfera, ao represar os rios nas construções de hidroelétricas, desmatando florestas, provocando erosões, poluindo o solo e a água. Essas alterações, poderiam provocar um aumento na temperatura média do nosso planeta que é de 15o C e não se modifica ao longo de muitos anos. Um aumento de cerca de 2o C na temperatura média da Terra seria suficiente para transformar terra férteis em áridas e duplicar o número de furacões. MAS COMO O AQUECIMENTO DA TERRA INFLUI NA FORMAÇÃO DE FURACÕES?ESTE AQUECIMENTO TAMBÉM É RESPONSÁVEL PELA OCORRÊNCIA DE VENTOS MAIS AMENOS? Vamos discutir esse aquecimento pela formação de ventos brandos e agradáveis. A Brisa Marítima. Diferentemente dos ventos que ocorrem eventualmente, a brisa marítima é um fenômento diário, sopra do mar para a terra durante o dia e em sentido contrário à noite. Durante o dia a areia atinge uma temperatura bem maior do que a água. Você pode fazer a próxima atividade para comprovar essa afirmação.
- 25. 43 calor é muito menor que a de água, e acaba também sendo responsável pela maior elevação de temperatura da terra. Um outro fator que contribui da mesma forma para essa diferença de aquecimento é o fato que a parte da radiação recebida pela água é utilizada para vaporizá-la e não para aumentar sua temperatura. Como a terra fica mais aquecida durante o dia, o ar, nas suas proximidades também se aquece e se torna menos denso, formando correntes de ar ascendentes. Acima da superfície da areia "cria-se" então uma região de baixa pressão, isto é menos moléculas de ar concentradas num certo espaço. À noite, os mesmos fatores (diferentes aquecimentos, massa resfriada e quantidade de calor liberada pela condensação da água), fazem com que a água tenha uma menor reduçào de temperatura do que a terra, faz com que o ar próximo do mar suba e a brisa sopre, agora, da terra para o mar. Esse ar mais frio movimenta-se horizontalmente do mar para a terra, isto é, da região de alta pressão para a de baixa pressão. Essa movimentação se constitui numa brisa que sopra do mar para a terra e que ocorre graças à convecção do ar. O ar próximo à superfície da água, mais frio e por isso mais denso, forma uma região de alta pressão. Além das brisas marítimas temos ventos diários que sopram dos polos para o equador. Esses ventos se formam porque o ar próximo às superfícies aquecidas da região equatorial se tornam menos densos e sobem criando uma região de baixa pressão. Ocorre então uma movimentação horizontal de ar frio da região de alta pressão (Polos da Terra), para a região de baixa pressão (Equador da Terra). Existem também ventos periódicos anuais. Devido à inclinação do eixo da Terra, em cada época do ano, um hemisfério recebe maior quantidade de calor que o outro, o que provoca a formação de ventos que estão associados às 4 estações do ano. Os ventos se formam devido ao aquecimento diferenciado do solo, água, concreto, vegetação e da presença de maior ou menor quantidade desses elementos. A altitude de uma região bem como a sua localização no globo (latitude e longitude), definem a quantidade de radiação solar recebida e caracterizam o seu clima em cada época. Outros ventos periódicos. Fontes e trocas de calor.
- 26. 44 Aquecimento e clima. O fenômeno El Ninõ. Existe também uma teoria que afirma ser o calor liberado pelo magma vulcânico do fundo do Oceano Pacífico o responsável por esse aquecimento que se constitui no maior fenômeno climático da Terra. Pesquisadores mantém no Oceano Pacífico boias que registram diariamente a temperatura da água para controle. Esses dados mostram que nos últimos doze anos aconteceram quatro aquecimentos. Anteriormente a esse controle, pensava-se que o El Ninõ ocorria a cada sete anos. Para alguns cientistas, o Homem é o vilão, que ao poluir o ar, interfere no seu ciclo, sendo responsável pelo fenômeno El Ninõ. Até cerca de 30 anos, o "El Ninõ" era um fenômeno conhecido apenas por pescadores peruanos. Os cardumes de anchovas sumiam das águas onde eram pescados, o que acontecia com periodicidade de alguns anos, geralmente na época do Natal, daí o seu nome El Ninõ (O Menino Jesus). El Ninõ é visto até hoje pelos cientistas como um fenômeno climático que ocorre periodicamente e altera o regime de ventos e chuvas do mundo todo. Consiste no aquecimento anormal da superfície das águas do Oceano Pacífico na região equatorial, que se extende desde a costa australiana até o litoral do Perú. Hoje, acredita-se que os ventos tropicais que sopram normalmente da América do Sul em direção à Ásia, através do Pacífico, ao diminuirem de intensidade, provocam esse aquecimento anormal. As causas do enfraquecimento dos ventos tropicais ainda não são conhecidas. Normalmente os ventos tropicais são fortes e provocam ondas no mar que trazem para a superfície as águas mais frias do fundo , juntamente com os nutrientes que atraem os peixes.Essa mistura de águas mantém a temperatura da região equatorial do Oceano Pacífico em torno de 240 C. Com a diminuição da intensidade dos ventos tropicais, que acontece periodicamente, não há formação de ondas. A água fria não se mistura com a da superfície, que se aquece cada vez mais, chegando a atingir 290 C, por uma extensão de 5000km. Devido à evaporação dessa grande massa de água, as chuvas caem sobre o oceano ao invés de chegar até o sudeste da Ásia, provocando tempestades marítimas e desregulando as chuvas de toda região tropical. Como consequência temos chuvas intensas no sudeste dos Estados Unidos, no sul do Brasil e na região costeira do Perú. O El Ninõ é responsável também pelas secas mais intensas no nordeste brasileiro, centro da África, Filipinas e norte da Austrália.
- 27. 45 12 Aquecimento e Técnica. Carro refrigerado a ar ou a água? Calores específicos tão diferentes como o do ar e da água determinam sistemas de refrigeração que utilizam técnicas bastante diferentes.
- 28. 46 12 Aquecimento e Técnica. Esses valores tão diferentes de calor específico da água (considerada como elemento padrão) e do ar, juntamente com outras características, são determinantes na escolha entre os dois sistemas de refrigeração. Refrigeração a água. Refrigeração a ar. No sistema de refrigeração a ar é um ventilador acionado pelo motor do carro (ventoinha) que joga o ar nas proximidades dos cilindros fazendo-o circular entre eles. Essa ventilação forçada retira o calor das peças do motor jogando-o para a atmosfera. No sistema de refrigeração forçada de ar temos disponível uma grande massa de ar em contato com o carro em movimento. Nos motores refrigerados a água, os cilindros são permeados por canais através dos quais a água circula. Bombeada da parte inferior do radiador para dentro do bloco do motor, a água retira o calor dos cilindros e depois de aquecida (aproximadamente 80o C) volta para a parte superior do radiador. Tabela 12.1 Substância Calor específico (pressão constante) (cal/g. 0 C) água a 20 0 C 1 água a 90 0 C 1,005 álcool 0,6 alumínio 0,21 ar 0,24 chumbo 0,031 cobre 0,091 ferro 0,11 gelo 0,5 hidrogênio 3,4 latão 0,092 madeira (pinho) 0,6 mercúrio 0,03 nitrogênio 0,247 ouro 0,032 prata 0,056 tijolo 0,2 vapor d'água 0,48 vidro 0,2 zinco 0,093 Ao circular pela serpentina do radiador (feito de cobre ou latão) com o carro em movimento, a água é refriada, pois troca calor com o ar em contato com as partes externas do radiador. Ao chegar à parte de baixo, a água se encontra a uma temperatura bem mais baixa, podendo ser novamente bombeada para o bloco do motor. Nas câmaras de combustão dos motores de automóveis o combustível atinge altas temperaturas (cerca de 95o C). Se esses motores não forem refrigerados continuadamente, suas peças fundem. Essa refrigeração pode ser feita pela circulação de água ou de ar, duas substâncias abundantes na natureza mas que se aquecem de maneira bastante diferente. Enquanto 1 grama de água precisa receber 1 caloria de energia calorífica para elevar sua temperatura de 1o C, 1 grama de ar tem a mesma alteração de temperatura com apenas 0,24 calorias. A tabela 12.1 mostra o calor específico da água, do ar e de alguns materiais utilizados em construções e na indústria.
- 29. 47 Esse controle é feito por um termostato operado por diferença de temperatura, que se comporta como uma válvula: mantém-se fechada enquanto o motor está frio e se abre quando a água atinge uma temperatura alta deixando-a fluir através de uma mangueira até a parte superior do radiador. Os carros refrigerados a água dispõem também de uma ventoinha, acionada pelo motor do carro, que entra em funcionamento quando o veículo está em marcha lenta ou parado, ajudando sua refrigeração. EAS MOTOCICLETAS,COMO SÃO REFRIGERADAS? As motos tem um sistema de refrigeração bastante simplificado e de fácil manutenção. Seus motores são externos e dispõem de aletas que aumentam a superfície de troca de calor com ambiente, dispensando a ventoinha. Fontes e trocas de calor. utiliza-se a água para retirar o calor das tubulações aquecidadas. Elas são projetados para que a água seja aproveitada em efeitos decorativos imitando cascatas, por exemplo, como se vê em lojas, jardins, etc. Conseguimos utilizar na refrigeração duas substâncias com calores específicos tão diferentes como o ar e a água empregando técnicas diversificadas. Entretanto, fica ainda uma questão: POR QUÊ AS SUBSTÂNCIAS TÊM VALORES DE CALOR ESPECÍFICO TÃO DIFERENTES? Para essa explicação temos que recorrer novamente a constituição dos materiais. As substâncias diferentes são formadas por moléculas que têm massas diferentes. Um grama de uma substância constituída de moléculas de massa pequena conterá mais moléculas do que um grama de outra substância constituída de moléculas de massas maiores. às custas de uma outra substância. Geralmente, isso é feito pelo ar de fora do ambiente. Em alguns condicionadores Nas motos e em alguns tipos de carros a refrigeração é de ventilação natural. Em condicionadores de ar, o ar quente do ambiente circula entre as tubulações do aparelho que retiram o seu calor devolvendo-o ao ambiente. Desse modo, o local se resfria mas a tubulação se aquece e, por sua vez, deve ser resfriada Isto éstá de acordo com os resultados encontrados para o calor específico tabelados para essas substâncias. O calor específico da substância A é maior que o calor específico da substância B. Quando uma substância atinge uma certa temperatura imaginamos que todas as suas moléculas têm, em média, a mesma energia cinética: energia de movimento ou vibração. Pensando dessa forma, para aumentar de 1o C a temperatura de 1 grama de uma substância que contenha mais moléculas é necessário fornecer uma maior quantidade de calor, pois é preciso que ocorra um aumento de energia de cada uma das moléculas. Assim, para aumentar a temperatura da substância A da figura de 1o C temos que fornecer mais energia térmica do que para aumentar, também de 1o C, a temperatura da substância B. A B A B
- 30. 48 Técnicas de aquecimento: fornos domésticos. Aquecimento e Técnica.
- 31. 49 13 Calculando a energia térmica. Como varia a temperatura de um objeto que recebe calor? Para controlar o aquecimento e resfriar objetos, máquinas ou ambientes, levamos em conta o calor específico. Do que mais depende o aquecimento e resfriamento? A energia térmica necessária para variaar a temperatura de sólidos, de líquidos..., pode ser calculada.
- 32. 50 13 Calculando a energia térmica. - Q é a quantidade de calor fornecida ou cedida medida em calorias (cal) - m é a massa da substância medida e quilograma (kg) - ∆t é a variação de temperatura medida em grau Celsius (o C) - c é o calor específico da substância medido em cal g Co Se não houver perdas para o exterior (ou se ela for desprezível) consideramos o sistema isolado. Neste caso, a quantidade de calor cedida por um dos objetos é igual a recebida pelo outro. Matematicamente podemos expressar a relação entre a quantidades de calor como: Os motores de combustão dos carros necessitam de um sistema de refrigeração. Para que a refrigeração a ar ou a água tenham a mesma eficácia, as duas substâncias tem que retirar a mesma quantidade de calor do motor. Exercícios: 13.1- Compare as quantidades de ar e de água necessárias para provocar a mesma refrigeração num motor refrigerado a ar ou a água. Resolução: Supondo que a variação de temperatura da água e do ar sejam as mesmas, como : Ou seja, as capacidades térmicas do ar e da água são iguais. mcC = A capacidade térmica. O calor específico de uma substância nos informa quantas calorias de energia necessitamos para elevar de 1o C a temperatura de 1 grama dessa substância. Portanto, para quantificar a energia térmica consumida ao se aquecer ou resfriar um objeto, além do seu calor específico temos que levar em conta a sua massa. Consumimos maior quantidade de calor para levar à fervura a água destinada ao preparo do macarrão para 10 convidados do que para 2 pessoas. Se para a mesma chama do fogão gastamos mais tempo para ferver uma massa de água maior, significa que precisamos fornecer maior quantidade de calor para ferver essa quantidade de água. Também para resfriar muitos refrigerantes precisamos de mais gelo do que para poucas garrafas. Se pensarmos em como as substâncias são formadas, quando se aumenta sua massa, aumenta-se a quantidade de moléculas e temos que fornecer mais calor para fazer todas as moléculas vibrarem mais, ou seja, aumentar sua energia cinética, o que se traduz num aumento de temperatura. Matemáticamente, podemos expressar a relação entre o calor específico de um objeto de massa m e a quantidade de calor necessária para elevar sua temperatura de ∆t Co , como: ou tcm ∆××=Q tm Q c ∆ = O produto do calor específico de uma substância pela sua massa (m.c) é conhecido como a sua capacidade térmica (C). Quando misturamos objetos a diferentes temperaturas eles trocam calor entre sí até que suas temperaturas se igualem, isto é, eles atingem o equilíbrio térmico. 0=+ recebidocedido QQ arararar tcmQ ∆××= águaáguaáguaágua tcmQ ∆××= araráguaágua cmcm ×=× água ar ar água c c m m = arágua QQ = ⇒= 1 0,24 m m ar água águaar m4,2 0,24 1 m ×==
- 33. 51 13.2- Uma dona de casa, quer calcular a temperatura máxima de um forno que não possui medidor de temperatura. Como ela só dispõe de um termômetro clínico que mede até 41o C, usa um "truque". " - Coloca uma forma de alumínio de 400 gramas no forno ligado no máximo, por bastante tempo. - Mergulha a forma quente num balde com 4 litros de água à 25o C. - Mede a temperatura da água e da forma depois do equilíbrio térmico encontrando um valor de 30o C." Calcule a temperatura do forno avaliada pela dona de casa. Utilize a tabela de calor específico. Questione a eficiência desse truque. Resolução: O calor cedido pela forma é recebido pela água. Q Qforma agua+ = 0 m gf = 400 δ = m V tif = ? 1 4000 3 = m g cm . t Cf o f = 30 m gagua = 4000 cal = 0 21, cal/g.0 C ti o agua = 25 C cagua = 1 A temperatura do forno é a mesma da forma. A eficiência do truque é questionável quando se supõe que a forma atinge a temperatura máxima do forno. Também quando desprezamos as perdas de calor para o exterior (balde, atmosfera). 13.3- Se você colocar no fogão duas panelas de mesma massa, uma de cobre e outra de alumínio, após alguns minutos, qual delas estará com maior temperatura? Justifique sua resposta. RESOLUÇÃO: Consultando os dados apresentados na tabela 12.1 vemos que o calor específico para as duas substâncias é: Fontes e trocas de calor. cal/g.0 C t 30 Cf 0 agua = t Cf o = + = 20000 2520 84 268 Q Q 0forma agua+ = m c t t m c t t of f f i agua agua f i× × − + × × − =( ) ( ) 400 0 21 30 4000 1 30 25 0× × − + × − =, ( ) ( )t forma C 0,21 cal / g.Al 0 = C C 0,091 cal / g.cu 0 = C Razao = 0,21 0,091 = 2 3, Ou seja, o calor específico do alumínio é 2,3 vezes maior do que o do cobre. Como Q = mc t∆ , para a mesma quantidade de calor podemos afirmar, então, que a panela de cobre se aquece mais que a de alumínio, alcançando uma temperatura maior uma vez que elas têm a mesma massa.
- 34. 52 Teste seu vestibular... 13.4- (UECE) Este gráfico representa a quantidade de calor absorvida por dois corpos M e N, de massas iguais, em função da temperatura. A razão entre os calores específicos de M e N é: a) 0,5 b) 1,0 c) 2,0 d) 4,0 13.5- (UCMG) A capacidade térmica de um pedaço de metal de 100g de massa é de 22 cal/o C. A capacidade térmica de outro pedaço do mesmo metal de 1000g de massa é de: a) 2,2 cal/o C c) 220 cal/o C e) 1100 cal/o C b) 400 cal/o C d) 22 cal/o C 13.6-(UFPR) Para aquecer 500g de certa substância de 20o C a 70o C, foram necessárias 4 000 cal. O calor específico e a capacidade térmica dessa substância são, respectivamente: a) 0,08 cal/g.o C e 8 cal/o C d) 0,15 cal/g.o C e 95 cal/o C b) 0,16 cal/g.0 C e 80 cal/o C e) 0,12 cal/g.o C e 120 cal/o C c) 0,09 cal/g.o C e 90 cal/o C 13.9- (UFCE-93) Dois corpos A e B estão inicialmente a uma mesma temperatura. Ambos recebem iguais quantidades de calor. Das alternativas abaixo, escolha a(s) correta(s). 01. Se a variação de temperatura for a mesma para os dois corpos, podemos dizer que as capacidades térmicas dos dois são iguais. 02. Se a variação de temperatura for a mesma para os dois corpos, podemos dizer que as suas massas são diretamente proporcionais aos seus calores específicos. 03. Se a variação de temperatura for a mesma para os dois corpos, podemos dizer que as suas massa são inversamente proporcionais aos seus calores específicos. 04. Se os calores específicos forem iguais, o corpo de menor massa sofrerá a maior variação de temperatura. 13.8- (FUVEST-SP) A temperatura do corpo humano é de cerca de 36,5o C. Uma pessoa toma 1l de água a 10o C. Qual a energia absorvida pela água? a) 10 000 cal c) 36 500 cal e) 23 250 cal b) 26 500 cal d) 46 500 cal 13.7- (FUVEST 93) Um recipiente de vidro de 500g com calor específico de 0,20 cal/go C contém 500g de água cujo calor específico é 1,0 cal/go C. O sistema encontra-se isolado e em equilíbrio térmico. Quando recebe uma certa quantidade de calor, o sistema tem sua temperatura elevada. Determine: a) a razão entre a quantidade de calor absorvida pela água e a recebida pelo vidro; b) a quantidade de calor absorvida pelo sistema para uma elevação de 1,0o C em sua temperatura. Calculando a energia térmica.