Exercício Resolvido:
Cristiana resolveu fazer
gelo, já que Ernesto tinha acabado com o que tinha em casa. Colocou um litro de
água a 20°C no congelador.
a) Como calcular a quantidade
de energia que deve ser retirada, para que a temperatura da água diminua 20°C
até 0°C?
Para que 1 litro de água (1.000 g) a 20ºC se torne gelo a –20ºC, é necessário calcular:
a) a quantidade de energia que deve ser retirada para que a temperatura da água diminua de 20ºC até 0ºC:
Q1 = m · cágua · Δt = 1.000 · 1 · (0 – 20) = –20.000 cal
b) Como calcular a quantidade
de energia que deve ser retirada, para que a água solidifique?
b) a quantidade de energia que deve ser retirada para que a água se solidifique:
Q2 = m · Lsolidificação = 1.000 · (–80) = –80.000 cal
c) Como calcular a quantidade
de energia que deve ser retirada, para que a temperatura do gelo diminua de 0°C
até –20°C?
c) a quantidade de energia que deve ser retirada para que a temperatura do gelo diminua de 0ºC até –20ºC, ou seja:
Q3 = m · cgelo · Δt = 1.000 · 0,5 · (–20 – 0) = –10.000 cal
d) Calcule a quantidade de
energia térmica total retirada da água, para que ela se torne gelo a –20°C?
Qtotal = Q1 + Q2 +
Q3
Qtotal = –20.000 –80.000 –10.000 = –110.000
cal.
Portanto, é necessário retirar 110.000 cal de
um litro de água a 20ºC para obter gelo a –20ºC.
Convecção e brisas marítimas
As brisas marítimas são correntes de ar que ocorrem nas regiões litorâneas em virtude da relação entre o calor específico da água e da areia e a convecção.
As brisas marítimas são correntes de ar que surgem em regiões litorâneas e possuem dois sentidos possíveis: do mar para a areia (durante o dia) e da areia para o mar (durante a noite). Essa diferença nos sentidos das brisas marítimas está relacionada com as diferenças entre os calores específicos da água e da areia e com o fenômeno da convecção.
Por que ocorrem as brisas?
Durante o dia, o calor
irradiado pelo Sol aumenta a temperatura da
areia e da água. Como o calor específico da areia é menor que o da água, ela
esquenta e esfria com maior facilidade. Sendo assim, a temperatura nas
proximidades da areia será maior que a temperatura nas proximidades da água, e
o ar sobre a areia será mais quente que o ar sobre a água, o que provoca
diminuição da pressão
do ar. Logo, podemos concluir que a pressão do ar sobre a areia é menor que
a pressão do ar sobre a água, o que provoca um deslocamento de ar do mar para a
praia.
Durante a noite, o processo é
inverso: a areia apresenta uma temperatura menor que a da água, e o ar nessa
região, consequentemente, é mais frio. Sendo assim, a pressão do ar é maior
sobre a areia, e a brisa tem o sentido da praia para o mar.
Repare na figura acima o sentido de deslocamento das massas de ar durante o dia para a praia e durante a noite para o mar. Esse movimento das massas de ar motivado pelas diferenças de temperatura é o que caracteriza o fenômeno da convecção.
Equilíbrio térmico e vida na Terra
O equilíbrio térmico tem um papel fundamental na vida terrestre. Sem a presença dos gases estufa na atmosfera terrestre, grande parte da radiação térmica do planeta o deixaria, propagando-se para o espaço. Com o passar do tempo, isso causaria um grande resfriamento em todo o planeta, fazendo com que os oceanos congelassem-se com o passar do tempo.
Além disso, os oceanos têm um papel fundamental no equilíbrio térmico do planeta.
Em virtude de sua grande massa e calor específico, os oceanos são dotados de uma enorme capacidade térmica, isto é, precisam receber enormes quantidades de calor para ter a sua temperatura alterada. Por esse motivo, são capazes de regular de maneira muito eficiente a temperatura do planeta. Regiões distantes dos oceanos e com pouca água costumam apresentar grandes amplitudes térmicas, como no caso dos desertos, que são extremamente quentes durante o dia e congelantes durante a noite.
Portanto, o equilíbrio térmico é um processo de fundamental importância para a manutenção dos processos físicos, químicos e biológicos do planeta e, dessa maneira, imprescindível para a existência da vida na Terra.
Atividade de Revisão:
1) Julgue cada uma as afirmativas em verdadeira (V) ou falsa (F):
a) Quando não há mudança de estado físico, as trocas de calor estão associadas ao calor sensível somente, no entanto, se houver mudança de fase, a ligação é com o calor latente. ( )
b) Em diferentes meios, o calor pode se propagar por condução, convecção e radiação. Os dois primeiros necessitam de um meio material, enquanto o último, pode ser observado no vácuo. ( )
c) Quando ocorre um aumento de volume da fase sólida para a fase líquida, a temperatura de fusão aumenta junto com a pressão. ( )
d) O metal é bom condutor térmico, aquece e resfria rapidamente; por esta razão, não é conveniente servir a comida na panela. Já a cerâmica e o vidro, sendo isolantes, conservam por mais tempo a comida já aquecida. ( )
e) O interior de um carro exposto ao Sol fica muito quente porque parte da luz que entra no carro é absorvida pelo estofamento, que é aquecido e emite radiação infravermelha. Essa radiação não consegue atravessar o vidro e fica dentro do carro, tornando-o muito quente. ( )
f) Num ambiente, o aparelho de ar condicionado, destinado a resfria-lo, foi colocado junto ao chão. Esta é a maneira mais conveniente e eficiente de instalação desse tipo de aparelho. ( )
g) Só há vida no nosso planeta devido à energia que o Sol transmite para a terra por convecção. ( )
h) Durante uma mudança de estado de uma dada substância, a uma certa pressão, a temperatura varia. ( )
i) Gás é um fluido que possui as propriedades de compressibilidade e expansibilidade e que tende a ocupar todo o espaço onde está contido. ( )
j) A energia térmica pode mudar de lugar, espontaneamente, de uma região de maior temperatura para uma de menor, através de três formas: condução, convecção e radiação. ( )
k) Em relação à condução de calor, os metais são os materiais que possuem os maiores valores de condutibilidade térmica. ( )
l) É possível afirmar que os gases são melhores condutores de calor que os sólidos. ( )
m) A radiação é um processo de transferência de energia que não ocorre se os corpos estiverem no vácuo. ( )
n) A convecção é um processo de transferência de energia que ocorre em meios fluidos. ( )
o) A condução é um processo de transferência de energia que não ocorre se os corpos estiverem à mesma temperatura. ( )
2) Durante
um experimento no laboratório de Física, o professor colocou no fogo uma barra
de ferro e mostrou aos alunos que o ferro se aqueceu, ou seja, sofreu uma
elevação em sua temperatura. Em seguida, o professor fez o mesmo com um bloco
de gelo a 0 oC e mostrou que o gelo derrete, isto é, transforma-se
em líquido, mas sua temperatura não se modifica. Com esse experimento, o professor demonstrou
que, quando um corpo recebe calor, este pode produzir variação de temperatura
ou mudança de estado. Sobre esses efeitos, é CORRETO dizer que:
(A)
o ferro recebeu calor sensível e o gelo recebeu calor latente.
(B) o ferro recebeu calor específico e o gelo
recebeu calor sensível.
(C) o ferro recebeu calor latente e o gelo
recebeu calor latente.
(D) o ferro recebeu calor sensível e o gelo
recebeu calor sensível.
(E) o ferro recebeu calor latente e o gelo
recebeu calor específico.
3) Em relação à transmissão de
calor, a afirmação errada é:
(A) Nos
sólidos, o calor se propaga principalmente por condução.
(B) A energia térmica pode ser transmitida através do vácuo apenas por meio de radiação
(C) Só haverá transferência de calor de um ponto para o outro, quando houver diferencia de temperatura entre os dois.
(D) A sensação de quente ou frio que sentimos ao tocar um objeto está relacionada com sua condutibilidade térmica.
(E) Na convenção não a diferencia de matéria fria ou quente de um ponto para o outro
4) Um ventilador de teto, fixado acima de uma lâmpada incandescente,
apesar de desligado, gira lentamente algum tempo após a lâmpada estar acesa.
Esse fenômeno é devido à:
(A)
convecção do ar aquecido
(B)
condução do calor
(C)
irradiação da luz e do calor
(D)
reflexão da luz
5) Na teoria
cinético-molecular da matéria, os gases:
(A) possuem um enorme conjunto de moléculas se
movimentando ao acaso.
(B) possuem um enorme conjunto de moléculas se
movimentando organizadamente.
(C) possuem um enorme conjunto de átomos se
movimentando ordenadamente.
(D) não se movimentam.
6) Os gases
não apresentam volume definido porque:
(A) possuem alta densidade.
(B) não podem ser expandidos.
(C) suas moléculas não são ligadas umas às
outras.
(D) dificilmente são comprimidos.
7) No estudo
de um gás ideal são definidas as variáveis do estado do gás, que são:
(A) massa, volume, temperatura.
(B) pressão, massa, temperatura.
(C) temperatura, pressão, volume.
(D) pressão, massa, volume.
8) Qual a
grandeza física surge a partir de choques entre partículas microscópicas de um
fluido confinado?
(A) Peso
(B) Massa
(C) Pressão
(D) Vetor
9) Uma carteira escolar é construída com partes de ferro e partes de madeira. Quando você toca a parte de madeira com a mão direita e a parte de ferro com a mão esquerda, embora todo o conjunto esteja em equilíbrio térmico:
(A) a mão direita sente mais frio que a
esquerda, porque o ferro conduz melhor o calor;
(B)
a mão direita sente mais frio que a esquerda, porque a convecção na madeira é mais
notada que no ferro;
(C) a mão direita sente mais frio que a
esquerda, porque a convecção no ferro é mais notada que na madeira;
(D) a mão direita sente menos frio que a
esquerda, porque o ferro conduz melhor o calor;
(E) a mão direita sente mais frio que a
esquerda, porque a madeira conduz melhor o calor.
10) 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 á 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.
11) Sobre a condução térmica,
indique a afirmativa falsa:
(A) Para que um pedaço de carne cozinhe
mais rapidamente, pode-se introduzir nele um espeto metálico. Isso se justifica
pelo fato de o metal ser um bom condutor de calor.
(B) Os agasalhos de lã dificultam a perda
de energia (na forma de calor) do corpo humano para o ambiente, devido ao fato
de o ar aprisionado entre suas fibras ser um bom isolante térmico.
(C) Devido à condução térmica, uma barra
de metal mantém-se a uma temperatura inferior à de uma barra de madeira
colocada no mesmo ambiente.
(D) Via de regra, sólidos são
melhores condutores que líquidos e líquidos são melhores
condutores que gases. Num extremo,
metais são excelentes condutores de calor e no outro
extremo, o ar é um péssimo condutor de calor.
12) Leia atentamente o texto:
"O calor específico da água é maior do que o calor específico da areia. Assim, durante o dia, numa região litorânea, a areia se aquece mais do que a água do mar. O ar aquecido acima da areia sobe e produz uma região de baixa pressão, aspirando o ar sobre o mar. Sopra a brisa marítima. Durante a noite areia e água esfriam, mas a areia esfria mais. O ar sobre o mar, que está mais quente, sobe e produz uma região de baixa pressão, aspirando o ar sobre a areia”.
Sobre as brisas marítimas é INCORRETO, afirmar:
(A) No litoral, durante o dia, a brisa sopra do mar para a praia e, à noite, da praia para o mar.
(B) A explicação para a existência das
brisas marinhas é que o calor específico da areia é muito menor que o calor
específico da água.
(C) Durante o dia, o ar frio próximo à
areia sobe, provocando o deslocamento do ar quente que se encontra sobre a
água.
(D) Durante a noite, o ar quente próximo
ao mar sobe, provocando o deslocamento do ar frio que se encontra sobre a
areia.
13) A brisa marítima é um fenômeno diário. Ela sopra do mar para a praia durante o dia e em sentido contrário à noite. Durante o dia, a temperatura da superfície da praia se eleva mais rapidamente que a da água, e à noite o movimento se inverte e o ar mais quente é o que está em contato com a água. Por ser menos densa, essa massa de ar sobe, dando lugar ao ar mais frio que está em contato com a praia. Produz-se então a brisa da praia para o mar. Todo esse processo ocorre, pois a superfície da praia possui uma característica física diferente da água.
O fenômeno descrito ocorre porque, em relação à praia, a água possui maior:
(A) massa.
(B) calor latente.
(C) calor específico.
(D) condutividade térmica.
14) (Enem
2002) 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), o 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.
15) Durante o dia, o ar próximo à areia da praia se aquece mais rapidamente do que o ar próximo à superfície do mar. Dessa maneira, o ar aquecido do continente sobe e o ar mais frio do mar desloca-se para o continente, formando a brisa marítima. À noite, o ar sobre o oceano permanece aquecido mais tempo do que o ar sobre o continente, e o processo se inverte. Ocorre então a brisa terrestre.
Assinale, dentre as afirmativas a seguir, a que explica, corretamente, o
fenômeno apresentado.
(A) É um processo de estabelecimento do
equilíbrio térmico e ocorre pelo fato de a água ter uma capacidade térmica
desprezível.
(B) É um exemplo de condução térmica e
ocorre pelo fato de a areia e a água serem bons condutores térmicos. Dessa
maneira, o calor se dissipa rapidamente.
(C) É um exemplo de convecção térmica e
ocorre pelo fato de a água ter um calor específico menor do que a areia. Dessa
maneira, a temperatura da areia se altera mais rapidamente.
(D) É um exemplo de convecção térmica e
ocorre pelo fato de a água ter um calor específico maior do que a areia. Dessa
maneira, a temperatura da areia se altera mais rapidamente.
(E) É um exemplo de irradiação térmica e
ocorre pelo fato de a areia e a água serem bons condutores térmicos. Dessa
maneira, o calor se dissipa rapidamente.
16) Sabe-se
que o calor específico da água é maior que o calor específico da terra e de
seus constituintes (rocha, areia, etc.). Diante disso, pode-se afirmar que, nas
regiões limites entre a terra e o mar:
(A) durante o dia, o vento sopra do mar
para a terra e à noite o vento sopra da terra para o mar.
(B) o vento sempre sopra sentido
terra-mar.
(C) durante o dia, há vento soprando da terra
para o mar e à noite o vento sopra do mar para a terra.
(D) o vento sempre sopra do mar para a
terra.
Aprofunde-se:
Utilizando as energias
térmicas, cozinhando alimentos
Sabe que às vezes me pergunto, quem
foi a primeira pessoa que fritou uma batata, inventando a batata frita?
Penso também na invenção das outras
comidas, por exemplo, o bolo, a pizza, o pudim...
Quem foi o abençoado que inventou o
maravilhoso pudim de leite?
Fico realmente impressionada quando
penso nisso.
Você já tinha pensado nas origens das
comidas que você gosta?
Imagina só, como foi a descoberta de
que os alimentos podiam ser misturados e assados, cozidos ou fritos?
Enfim, essas pessoas são merecedoras
da mais alta admiração e de toda a minha gratidão.
Mas vamos nos ater agora no cozimento
dos alimentos.
O que é preciso existir para os
alimentos serem cozidos ou fritos, além da imaginação das pessoas?
Pense!
Fogo?
Calor?
Na verdade, os alimentos são cozidos
pelo calor, seja o produzido diretamente pelo fogo, por uma resistência
elétrica ou pelo micro-ondas.
Vamos ver agora como é o processo de
cozimento pelo fogo.
O cozimento dos alimentos
Primeira coisa, acabei de falar na
introdução que precisamos de calor para cozinhar os alimentos. É bom então
lembrarmos o que é calor.
O calor é o que chamamos de energia
em trânsito, pois ela só existe se houver diferença de temperatura entre dois
ou mais corpos ou entre dois ou mais sistemas que interagem entre si.
Assim, não falamos em calor de um
corpo ou de um sistema, mas sim, em quantidade de calor que o corpo perde ou
ganha em suas interações com os outros corpos.
Vamos pensar agora no calor que a
comida recebe enquanto cozinha.
Antes de começarmos a cozinhar, por
exemplo, o feijão, ele está frio dentro da panela fria junto com todos os
temperos.
Aí colocamos a panela no fogão e
ligamos o fogo.
Ok, o calor irá fluir do fogo para a
panela e da panela para o feijão.
Como ele flui nesse processo?
Principalmente por condução através
dos contatos; primeiro da chama para a grade do fogão, depois da grade do fogão
para a panela e por fim da panela para o feijão.
Na condução térmica a
transferência de energia se dá entre átomos próximos ou vizinhos, indo sempre
da região de maior temperatura para a de menor temperatura.
Isso ocorre assim porque o recebimento
de calor aumenta a energia de vibração dos átomos, fazendo com que eles se
choquem cada vez mais uns contra os outros. No final do processo, todos os
átomos estarão vibrando com maior energia e intensidade.
Mas, como podemos observar na figura
acima, existe também um pouco de troca de calor pela convecção do ar que está
entre o fogo e a panela (ilustrado pelas flechas); porém a forma principal de
troca é a condução.
O fato de a grade do fogão e a panela
serem de metal faz com que eles sejam muito bons condutores de calor, tornando
a condução muito eficiente.
Aí o feijão aquece rapidamente.
Depois de um tempo percebemos que ele
começa a ferver e eu te pergunto, como o calor que o feijão recebeu da panela
chegou a todas as partes do feijão?
Pense!
Pelo processo de convecção.
O feijão que está na camada mais baixa dentro da panela esquenta primeiro, isso
faz com que sua densidade fique menor do que a densidade da camada de feijão
que está acima.
O que acontece?
Eles trocam de lugar.
A parte com menor densidade e mais
quente sobe; a parte mais densa e mais fria desce.
Se a panela estiver destampada, a
camada que subiu perde calor para o ar do ambiente, esfriando ligeiramente.
A camada que desceu recebe calor do
fundo da panela, esquentando ligeiramente e ficando menos densa.
E então elas trocam novamente de lugar.
Isso acontece de maneira contínua (e
demorada no caso do feijão).
Então, enquanto deixamos o feijão
cozinhando na panela, vamos pensar no pudim que será assado no forno.
(Estou começando a desconfiar que
tenho uma segunda intenção com esse artigo, a de despertar a sua ou a minha
fome. Será?).
O processo de cozimento de alimentos
no forno é diferente do processo que ocorre na boca do fogão. Não é à toa que
falamos que o forno assa os alimentos, enquanto que o fogo da boca cozinha.
O processo de cozimento do pudim
ocorre principalmente pela irradiação térmica. O mesmo processo usado para
assar pizza ou pão, ou para fazer churrasco.
Pronto!
Podemos concluir que o calor
possibilitou a produção dessas delícias todas e mais, para nossa felicidade!
