FÍSICA. Manual do professor FÍSICA TERMOLOGIA ÓP TICA ONDUL ATÓRIA ENSINO MÉDIO. componente...
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FÍSICA curricular: 2 FÍSICA TERMOLOGIA • ÓP TICA • ONDUL ATÓRIA ENSINO MÉDIO BONJ ORNO • CLI NTON • EDUARDO PRADO • CASEMI RO FÍSICA componente curricular: Manual do professor
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HINO NACIONAL
Letra: Joaquim Osório Duque Estrada Música: Francisco Manuel da Silva
Ouviram do Ipiranga as margens plácidas De um povo heroico o brado retumbante, E o sol da Liberdade, em raios fúlgidos,Brilhou no céu da Pátria nesse instante.
Se o penhor dessa igualdade Conseguimos conquistar com braço forte, Em teu seio, ó Liberdade, Desafi a o nosso peito a própria morte!
Ó Pátria amada, Idolatrada, Salve! Salve!
Brasil, um sonho intenso, um raio vívido De amor e de esperança à terra desce, Se em teu formoso céu, risonho e límpido, A imagem do Cruzeiro resplandece.
Gigante pela própria natureza, És belo, és forte, impávido colosso, E o teu futuro espelha essa grandeza.
Terra adorada,Entre outras mil, És tu, Brasil, Ó Pátria amada!
Dos fi lhos deste solo és mãe gentil, Pátria amada, Brasil!
Deitado eternamente em berço esplêndido, Ao som do mar e à luz do céu profundo, Fulguras, ó Brasil, fl orão da América, Iluminado ao sol do Novo Mundo!
Do que a terra mais garrida Teus risonhos, lindos campos têm mais fl ores; “Nossos bosques têm mais vida”, “Nossa vida” no teu seio “mais amores”.
Ó Pátria amada, Idolatrada, Salve! Salve!
Brasil, de amor eterno seja símbolo O lábaro que ostentas estrelado, E diga o verde-louro desta fl âmula - Paz no futuro e glória no passado.
Mas, se ergues da justiça a clava forte, Verás que um fi lho teu não foge à luta, Nem teme, quem te adora, a própria morte.
Terra adorada,Entre outras mil, És tu, Brasil, Ó Pátria amada!
Dos fi lhos deste solo és mãe gentil, Pátria amada, Brasil!
9 7 8 8 5 3 2 2 8 5 1 6 4
ISBN 978-85-322-8516-4
FÍSICAcomponentecurricular:
BONJORNO • CLINTON • EDUARDO PRADO • CASEMIRO
2FÍSICATERMOLOGIA • ÓP TICA • ONDUL ATÓRIA
ENSINO MÉDIO
BONJORNO • CLINTON • EDUARDO PRADO • CASEMIRO
FÍSICAcomponentecurricular:
Manual doprofessor
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FÍSICAcomponentecurricular:
MANUAL DO PROFESSOR
2a edição - São Paulo, 2013
2FÍSICATERMOLOGIA • ÓPTICA • ONDULATÓRIA
JOSÉ ROBERTO BONJORNOBacharel e licenciado em Física pela PontifíciaUniversidade Católica de São Paulo (PUC-SP).Professor de Matemática e Física.
REGINA DE FÁTIMA SOUZA AZENHA BONJORNOBacharel e licenciada em Física pela PontifíciaUniversidade Católica de São Paulo (PUC-SP).Professora de Matemática e Física.
VALTER BONJORNOEngenheiro naval pela Escola Politécnica daUniversidade de São Paulo (USP).Professor de Matemática e Física.
CLINTON MARCICO RAMOSBacharel e licenciado em Física pela Faculdade deFilosofia, Ciências e Letras de Mogi das Cruzes (UMC-SP).Professor de Física.
EDUARDO DE PINHO PRADOLicenciado em Matemática pelo Centro Universitário Nove de Julho (Uninove-SP).Professor de Física e Matemática atuando há 25 anosno Ensino Médio e em cursos pré-vestibulares.
RENATO CASEMIROMestre em História da Ciência pela Pontifícia Universidade Católica de São Paulo (PUC-SP). Bacharel e licenciado em Física pela Pontifícia Universidade Católica de São Paulo (PUC-SP). Professor de Física em colégios particulares de São Paulo.
ENSINO MÉDIO
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)(Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)
Física : termologia, óptica, ondulatória, 2o ano. -- 2. ed. --
São Paulo : FTD, 2013.
Vários autores.
“Componente curricular: Física”
ISBN 978-85-322-8515-7 (aluno)
ISBN 978-85-322-8516-4 (professor)
1. Física (Ensino médio) I. Título.
13-04354 CDD-530.07
Índices para catálogo sistemático:1. Física : Ensino médio 530.07
Física – Termologia, Óptica, OndulatóriaCopyright © José Roberto Bonjorno, Regina de Fátima Souza Azenha Bonjorno, Valter Bonjorno, Clinton Marcico Ramos, Eduardo de Pinho Prado, Renato Casemiro, 2013 Todos os direitos reservados à EDITORA FTD S.A.Matriz: Rua Rui Barbosa, 156 – Bela Vista – São Paulo – SPCEP 01326-010 – Tel.: (0xx11) 3598-6000Caixa Postal 65149 – CEP da Caixa Postal 01390-970Internet: www.ftd.com.br E-mail: [email protected]
Diretora editorial Silmara Sapiense VespasianoEditora Juliane Matsubara BarrosoEditora adjunta Flávia Renata P. Almeida FugitaEditoras assistentes
Alice KobayashiValéria Rosa MartinsYara Valeri Navas
Assessoria Técnica PedagógicaIvan Moneda AlbertoPatrícia Takahashi Lopes
Assistentes de produçãoAna Paula IazzettoLilia Pires
Assistente editorialGislene Aparecida Benedito
Supervisora de preparação e revisãoSandra Lia Farah
Preparador de textoPedro Augusto Baraldi
RevisoresCarina de LucaDaniella Haidar PacificoDesirée Araújo S. AguiarFrancisca M. Lourenço Giseli Aparecida GobboJúlia Siqueira e Mello Juliana Cristine Folli SimõesJuliana Rochetto CostaLilian Vismari Carvalho Maiara Andréa AlvesPedro Henrique Fandi
Coordenador de produção editorialCaio Leandro Rios
Editor de arte Fabiano dos Santos Mariano
Projeto gráfico e capaFabiano dos Santos Mariano
Fotos da capa: Pkruger/Shutterstock/Glow Images e nex999/Shutterstock/Glow ImagesIconografiaSupervisora
Célia RosaPesquisadores
Carlos LuvizariGraciela Naliati
Editoração eletrônicaDiagramação
Setup Bureau Editoração EletrônicaTratamento de imagens
Ana Isabela Pithan Maraschin Eziquiel RachetiOseias Dias SanchesVânia Aparecida Maia de Oliveira
Gerente executivo do parque gráfico Reginaldo Soares Damasceno
A Física é a área da Ciência que investiga o Universo. Os cientistas, em conjunto, buscam compreendê-lo e, para isso, utilizam formulação de hipóteses e atividades experimentais. A Física, associada a outras áreas e disciplinas, tem uma importân-cia fundamental no desenvolvimento tecnológico, que proporcio-na, principalmente a nós, seres humanos, conforto, praticidade e qualidade de vida.
O estudo da Física se faz presente na última etapa do ensino básico, o Ensino Médio, que prioriza a formação ética e o desen-volvimento da autonomia intelectual. Por esse motivo, a Física não deve apresentar-se de forma descontextualizada do mundo, fornecendo somente ideias irrevogáveis, como produtos acaba-dos. Hoje, o grande desafio é que a atividade científica seja vista como essencialmente humana, com seus erros e acertos, defeitos e virtudes.
Para que essa nova concepção do ensino de Física seja pos-sível, apresentamos os conceitos físicos na sua linguagem pró-pria, que dialoga com a Matemática, mas também de forma in-dissociada da História, da Química, da Biologia e aproximada do cotidiano. Esperamos, portanto, que esta coleção seja mais um instrumento de apoio e incentivo para o difícil e instigante desafio de compreender a natureza.
Os Autores
Apresentação
Estrutura da obra
CAPÍTULO
Unidade temática que trata dos assuntos a serem desenvolvi-dos. Os capítulos agrupam os temas correlatos que são pon-tuados de forma sequencial e progressiva. Teoria e atividades diversificadas compõem as se-guintes seções:
UNIDADE
Bloco temático que agrupa ca-pítulos que tratam do mesmo assunto.
As aberturas das unidades cha-mam a atenção para os fenôme-nos naturais e para as tecnologias desenvolvidas que estão relacio-nadas aos conteúdos que serão estudados em cada unidade. Para tanto, são usados textos, imagens e exercícios com informações re-levantes.
ATIVIDADES PROPOSTAS
Trata-se de um conjunto de exercí-cios propostos para que seja testado o conhecimento dos temas estuda-dos em cada seção de forma gra-dual, com o objetivo de fazer cone-xões e articular temas já trabalhados em outros capítulos.
ATIVIDADES RESOLVIDAS
Exemplos de exercícios resolvi-dos em que se podem elucidar os detalhes da explicação teórica.
PENSE E RESPONDA
Chama a atenção para questões sobre os temas tratados, explo-rando aspectos conceituais ou quantitativos.
UN
IDADE
I Termologia
Nesta unidade apresentaremos os conceitos relativos à Termologia, como temperatura, calor e sua transmissão, além das mudanças de estado da matéria. São temas presentes no nosso cotidiano, como quando observamos o gelo derreter, a água ferver ou também quando, por hábito, dizemos “que calor” ou “está frio hoje”. • Relacionamos a ideia de
calor à de temperatura, mas sabe qual é a diferença entre esses conceitos?
A FÍSICA AO NOSSO REDOR
Na imagem vemos a Cratera de Barringer ou Cratera do Meteoro, localizada numa região próxima da cidade de Winslow, EUA. O impacto causado pela queda de um meteorito nesse local provocou elevado aquecimento e fundiu as rochas no solo, levando à formação dessa grande cratera. Estima-se que ela tenha sido formada há mais de 50 mil anos.
Um ourives precisa fundir o ouro com outros metais, como prata e cobre, para confeccionar joias.
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A geada pode causar a destruição da vegetação ou de parte dela.
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• Capítulo 1 - Termometria• Capítulo 2 - Calorimetria• Capítulo 3 - Mudanças
de fase• Capítulo 4 - Transmissão
de calor• Capítulo 5 - Dilatação
térmicaAP
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62 UNIDADE I – TERMOLOGIA
Dilatação térmica
CA
PÍTULO
5Até aqui vimos que ao fornecer calor a um determinado corpo ele tem sua temperatura aumentada.
Agora veremos que o fornecimento de calor também provoca variação nas dimensões desse corpo – é a
dilatação térmica.
1 . Dilatação dos sólidosVocê já reparou que nas construções de edifícios, ou mesmo nas calçadas, há sempre um pequeno
vão, a junta de dilatação, preenchido ou não por algum material diferente? Já reparou nas juntas dos
trilhos de trens ou percebeu que os fios de eletricidade nos postes das ruas sempre são instalados com
uma certa folga, ou seja, nunca totalmente esticados?A variação de temperatura é a responsável pela alteração das dimensões dos corpos.
Com exceção do comportamento anômalo da água entre 0 °C e 4 °C e do bismuto, do ferro e do antimô-
nio, já discutido no capítulo 3, de modo geral a elevação da temperatura de um corpo provoca maior agitação
de suas moléculas, o que faz aumentar a distância média entre elas, causando aumento no volume do corpo.
Nas estruturas de concreto são projetadas e construídas as juntas de dilatação. Isso permite que o
concreto se expanda e se contraia mais livremente em razão das variações de temperatura, reduzindo,
assim, a possibilidade de formação de rachaduras.
A estrutura desse viaduto está comprometida.Observe as junções das partes de um viaduto. O espaço entre elas é chamado junta de dilatação.
Os cabos de uma rede elétrica aérea apresentam fol-gas entre os postes ou torres para evitar uma tração exces-siva ao se contraírem quando a temperatura cai, podendo causar ruptura dos fios e in-terrupção no fornecimento de energia. Observe, na figura, a “barriga” formada pelos cabos entre uma torre e outra.Cabos elétricos suspensos com folga.
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223CAPÍTULO 14 – ONDAS
ATIVIDADES RESOLVIDAS
1 A figura ao lado representa a onda gerada por um motor cuja frequência de vibração é de 3 600 rpm.
Determine:
a) o comprimento de onda (�);
b) a amplitude (A);
c) a velocidade de propagação da onda (v).
a) Do gráfico, observa-se que a repetição se inicia a cada 2 cm. Portanto, � � 2 cm.
b) Do gráfico, observa-se que o máximo valor de y é 4 mm. Portanto, a amplitude é A � 4 mm.
c) A frequência é f � 3 600 rpm.
f3600
60f 60 Hz
��⇒ ⇒
Æ v � �f � 2 � 60 Æ v � 120 cm/s
2 Um rádio receptor opera em duas modalidades: em AM, cobre o intervalo de 550 a 1550 kHz e, em FM, de 88 a
108 MHz. A velocidade das ondas eletromagnéticas é de 3 � 108 m/s. Quais são, aproximadamente, o menor e o
maior comprimentos de onda que podem ser captados por esse rádio?
Como v � �f, o menor comprimento de onda corresponde à maior frequência e o maior comprimento de onda
corresponde à menor frequência.
• menor comprimento de onda (f � 108 � 106 Hz)
v � �f Æ 3 � 108 � � � 108 � 106 Æ � � 2,8 m
• maior comprimento de onda (f � 550 � 103 Hz)
v � �f Æ 3 � 108 � � � 550 � 103 Æ � � 545 m
1 2 3 4 5
y (mm)
x (cm)
0�4
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es: E
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Set
up
Resolução:
Resolução:
ATIVIDADES PROPOSTAS FAÇA
NO C
ADERNO
1 Uma boia pode se deslocar livremente ao longo de uma
haste vertical fixada no fundo do mar. Na figura, a cur-
va cheia representa uma onda no instante t � 0 s, e a
curva tracejada, a mesma onda, no instante t � 0,2 s.
Com a passagem dessa onda, a boia oscila.
HasteBoia 0,6 m
Para essa situação determine:
a) o menor valor possível da velocidade da onda;
b) o período de oscilação da boia.
2 Se dobrarmos o comprimento de onda de uma onda
em uma determinada corda, o que acontece com a
velocidade v e a frequência f da onda?
Ilust
raçõ
es: E
dito
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de A
rte/
Set
up
3 As seis cordas de um violão são de mesmo compri-
mento e aproximadamente mesma tração, mas pos-
suem espessuras diferentes. As ondas se propagam
mais rápido nas cordas mais finas ou nas mais grossas?
4 O gráfico representa a coordenada vertical y, em fun-
ção do tempo t, de uma boia que se move vertical-
mente numa piscina onde são produzidas ondas em
vales sucessivos a uma distância de 1,2 m.
1 20
4
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y (cm)
t (s)
a) Qual a velocidade de propagação das ondas?
b) Em que instante(s) a velocidade da boia é nula?
34 UNIDADE I – TERMOLOGIA
Influência da pressão na fusão-solidificaçãoPelo que vimos até o momento durante a fusão de qualquer substância, com o calor absorvido as partículas aumentam a ener-gia cinética, ocupando um espaço maior no estado líquido do que no estado sólido, ou seja, aumenta o seu volume e se expande. No entanto, algumas substâncias se com-portam de maneira exatamente oposta. É o caso da água, do bismuto, do ferro e do an-timônio. O comportamento diferente dessas substâncias revela algo sobre a configuração espacial de suas moléculas. No estado só-lido suas partículas se organizam de modo que o retículo cristalino ocupa mais espaço do que durante a fusão. Dessa forma, en-quanto ocorre a fusão, suas moléculas ficam mais próximas umas das outras, ocupando um espaço menor, resultando num volume final menor do que quando estavam no es-tado sólido.
As substâncias que aumentam de volume durante o processo de fusão-solidificação, ao sofrerem
aumento de pressão, fundem e solidificam a temperaturas mais altas. Já as que diminuem de volume
durante a fusão-solidificação, como o gelo, sob pressões mais elevadas, têm seus pontos de fusão-soli-
dificação diminuídos. Os gráficos a seguir mostram como ocorre a influência da pressão sobre o ponto de fusão-solidifi-
cação em cada tipo de substância.
E RESPONDAPENSE
• Quando se põe uma garrafa PET totalmente cheia de água em um congelador, após algumas horas ela ficará estufada ou poderá até mesmo romper. Explique por quê.
p1
0
0
�1 �
2
p2
Pressão (p)solidificação
fusão
Temperatura (�)
p1
�1 �
2
p2
Pressão (p)solidificação
fusão
Temperatura (�)
Substâncias que aumentam de volume ao passar pelo processo de fusão. Substâncias que diminuem de volume ao passar pelo processo de fusão.
O patinador na pista de gelo, ao deslizar, faz o gelo derreter pela forte pressão das lâminas, deixando sulcos na pista, que logo desaparecem em função da consequente solidificação (regelo).
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A HISTÓRIA CONTA
Texto no final de cada unida-de que aborda um pouco da História da Ciência por meio da história dos cientistas ou da evolução de conceitos da Física.
PENSANDO CIÊNCIA
Seção que aborda elementos do cotidiano em que a Física se faz presente.
SAIBA MAIS SOBRE
Textos que abordam assuntos sobre aplicações tecnológicas, atualidades e curiosidades da Física ou de outras áreas, em contextos específicos.
EXPERIMENTO
Seção de atividades experimen-tais na qual você poderá com-provar, individualmente ou em grupo, conceitos trabalhados ao longo dos capítulos.
134 UNIDADE III – ÓPTICA
PENSANDO CIÊNCIA
É importante destacar que Terra, Lua e Sol
não estão no mesmo plano. A órbita que a Lua
realiza ao redor da Terra não está no mesmo
plano da órbita que a Terra realiza ao redor do
Sol. Observe a figura ao lado.
A órbita que a Lua descreve ao redor da
Terra está inclinada em 5,2º em relação ao
plano que a Terra descreve ao redor do Sol.
O eclipse solar só ocorrerá quando Sol, Terra
e Lua estiverem na linha dos nodos (observe
a figura ao lado) que é uma intersecção dos
planos da órbita da Lua ao redor da Terra e da
Terra ao redor do Sol.
Já o eclipse lunar ocorre quando a Lua entra na sombra da Terra. Só é possível ocorrer um eclipse
lunar quando a Lua estiver na fase cheia ou na fase nova.
Os perigos de observar um eclipse solar
O eclipse é um belo fenômeno da natureza e é muito comum
as pessoas observarem sua ocorrência. Ele pode ocorrer com o Sol
e com a Lua.
O problema em observar o eclipse solar deve-se a uma das com-
ponentes da onda eletromagnética – a radiação ultravioleta. Como du-
rante um eclipse solar você fica exposto à luz visível, a pupila do olho
se dilata e com isso mais luz pode entrar. Sem proteção, a radiação
ultravioleta também entra no olho, causando danos à retina e podendo
ocasionar a cegueira.
O ideal é observar apenas a projeção de um eclipse solar, como
a imagem do Sol projetada em uma parede, ou na água, por exem-
plo. Nunca observe esse eclipse com óculos escuros nem através de lunetas, telescópios ou binó-
culos. Esses equipamentos não são capazes de proteger sua visão. Por isso, o eclipse solar nunca
deve ser observado a olho nu.
Já o eclipse lunar não apresenta riscos à saúde e, portanto, pode ser observado sem problemas.
Não é necessário proteger os olhos.
penumbra
Terra
Lua sombra
Sol Ilust
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No eclipse lunar, os raios solares são interceptados pela Terra e a
superfície lunar permanece na região da sombra, escurecendo-
-se no céu noturno.
Wed
a/ep
a/C
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s/La
tinst
ock
Eclipse da Lua. Observe a Lua parcialmente escurecida
enquanto atravessa o cone de sombra da Terra.
O eclipse solar só ocorre quando Terra, Lua e Sol ficam alinhados, e
desse modo estão no mesmo plano (na representação acima é a região
nomeada por linha dos nodos).
novanovanova
cheia
linha dosnodos
cheia
cheiacheia
nova
novanovan
linha dosnodos
nonova
Sol
Eclipse do Sol, que está sendo
encoberto pela Lua.
Bab
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SP
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Imag
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A representação
está fora deproporção.
A representação
está fora deproporção.
180 UNIDADE III – ÓPTICA
EXPERIMENTORefração e dioptro planoVocê chega à praia e corre para entrar no mar. Olhando para a parte do seu corpo que está
dentro da água parece que ela está mais perto da superfície, embora você saiba que não. Ao ob-
servar uma piscina, ela sempre parece mais rasa – basta entrar para constatar que ela não é tão
rasa quanto parecia. Como você explica esses fatos? Registre suas hipóteses sobre o que você acha
que acontece. Um simples experimento nos permite compreender melhor esse tema.
Material� 1 jarra com água� 1 xícara ou caneca� 2 moedas� 1 copo transparente de vidro liso
Procedimento1.a parte
• Um dos integrantes do grupo deve pegar a moeda e colocá-la na xícara. Os demais integran-
tes ficam ao redor de modo que vejam somente um pedacinho da moeda, quase toda enco-
berta pela borda da xícara. O integrante que pôs a moeda deve despejar lentamente a água
na xícara, para que a moeda não se mova. Enquanto isso, os demais observam.
Foto
s: C
arlo
s Lu
viza
ri
2.a parte• Um dos integrantes põe a outra moeda dentro do
copo e despeja água até o nível de aproximada-mente 2 dedos do fundo. Observe a superfície da água vista pela lateral do copo. O que vocês veem?
Agora respondaFaçam um relatório em grupo que apresente as questões a seguir com suas respectivas respostas.
1) Nas duas situações, o que foi observado?2) Como vocês explicam essas observações?3) Para os dois casos, façam um desenho representando o caminho da luz entre a moeda e os
olhos de quem observa.
Pau
lo C
esar
FAÇA
N
O CADERNO
240 UNIDADE IV – ONDULATÓRIA
SAIBA MAIS SOBRE
Ressonância magnéticaA Física tem papel importante em várias áreas, e a Medicina é uma delas. Com os avanços
científico-tecnológicos, há na Medicina uma ampla gama de equipamentos de diagnóstico por
imagem, que vão além das imagens geradas por raios X ou ultrassonografia. Os tomógrafos, por
exemplo, têm sua origem em detectores de partículas, e os equipamentos de ressonância magnéti-
ca nuclear são provenientes de pesquisa em Física atômica e da invenção do radar. Para entender
como as imagens são geradas, é preciso, primeiramente, compreender o conceito de ressonância.
Vimos que a ressonância é um processo de trans-ferência de energia entre uma fonte e um sistema re-ceptor. Essa transferência de energia é máxima quando a fonte emite ondas numa das frequências naturais de oscilação do receptor. Em outras palavras, chamamos de ressonância esse estado especial de vibração de um corpo que resulta em um aumento de sua amplitude. Como todos os corpos macroscópicos são formados por átomos microscópicos, é possível encontrarmos seus estados de ressonância, ou melhor, suas frequên-cias de vibração naturais. Essa mesma aplicação tam-bém pode ser feita em outras áreas, como na afinação
das cordas de instrumentos musicais.Uma pessoa que passa por um exame de ressonância magnética nuclear vai ficar imersa em uma
região de intenso campo magnético, que pode variar de 0,2 a 3,0 T (tesla) – a intensidade do campo
magnético terrestre varia entre 0,00003 e 0,00006 T. Esse campo vai interagir diretamente com o
campo magnético produzido pelo movimento de cada átomo de hidrogênio do corpo do paciente e,
consequentemente, vai fazer os átomos vibrarem em ressonância e na mesma frequência do campo
externo. Dessa interação, os prótons emitirão uma radiação eletromagnética, captada pelos sensores
do aparelho e conjugada em uma imagem por computador. O médico avalia, então, a qualidade da
imagem obtida e pode diagnosticar com mais eficiência a saúde da pessoa. Agora responda 1 Identifique a fonte, o sistema receptor e a energia em um exame de ressonância magnética nuclear.
2 Quantas vezes o limite superior do campo magnético de um equipamento de ressonância magnética nuclear
supera o limite superior do campo magnético terrestre? 3 Tanto no procedimento de raio X como no de ressonância magnética nuclear pede-se ao paciente ficar pa-
rado o maior tempo possível. Por que isso é importante?
Ria
Nov
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SP
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tinst
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FAÇA
N
O CADERNO
Exame de ressonância magnética.
Na figura, duas fontes, F1 e F
2, em concordância de fase emitem sinais que são
detectados no ponto P.Determine o maior valor do comprimento de onda das fontes para que o ponto P
seja um ponto: a) máximo de interferência;
b) mínimo de interferência.
ATIVIDADE RESOLVIDA
8 m
P
F1
6 m F
2
Edito
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rte/
Set
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123
122
�A HistóriaConta�
CAPÍTULO 7 – LEIS DA TERMODINÂMICA
UNIDADE II – TERMODINÂMICA
A revolucionária
máquina a vapor
comum vermos em filmes antigos máquinas a vapor,
como, por exemplo, os trens antigos que ainda hoje trafegam
em diversas cidades do Brasil.
Como você pôde perceber ao longo deste capítulo,
as máquinas a vapor estão presentes no nosso cotidiano –
em motores de carros, refrigeradores e também em usinas
termelétricas e nucleares, na geração de energia elétrica.
Caldeiras e locomotivas alimentadas por carvão fo-
ram grandes responsáveis, ao longo dos séculos XVIII e
XIX, pela transformação no modo de produção. As primei-
ras máquinas a vapor surgiram na Inglaterra, no século XVII,
local onde, no século, seguinte ocorreria a primeira Revolução
Industrial.
O problema prático que envolve o desenvolvimento das máquinas a vapor era a inunda-
ção de minas de carvão na Inglaterra. Em 1698, Thomas Savery (1650-1715), engenheiro mili-
tar inglês, inventou uma máquina a vapor capaz de resolver esse problema. Para isso, construiu
um equipamento que utilizava a pressão de vapor para bombear a água das minas.
Anos mais tarde, em 1705, Thomas Newcomen aperfeiçoou a máquina de Savery, mas
ainda havia um problema: o alto consumo de combustível.
Somente anos depois o escocês James Watt (1736-1819) tornou possível o uso industrial
da máquina a vapor, aperfeiçoando a máquina de Newcomen. Watt percebeu que para tornar
essa máquina a vapor mais eficiente (diminuindo o gasto de combustível) era preciso colocar
um condensador na parte externa separado do motor, produzindo assim a máquina de Watt,
que revolucionou as máquinas térmicas e a própria configuração social e econômica do país,
uma vez que o princípio de funcionamento dessas máquinas teve outras aplicações, como o
uso na agricultura, no movimento de navios e locomotivas, e aumentou a eficiência de moi-
nhos de trigo.
Antes, com uma economia agrária e no sistema feudal-mercantil, a Inglaterra viu emer-
gir uma economia industrial, com produção em grande escala, utilizando máquinas diversas.
A economia obtida com a máquina de Watt foi fundamental para o avanço da produção.
Essa revolução toda aconteceu sem que os cientistas tivessem uma compreensão clara
da natureza do calor. Um dos responsáveis pela compreensão da relação entre calor e tra-
balho foi Carnot, que demonstrou ser impossível uma máquina térmica operar sem perdas.
É
As máquinas térmicas que conseguissem operar também no seu ciclo inverso seriam as mais
eficientes. A importância dessa análise está no fato de que a limitação não é tecnológica, mas
é uma restrição da própria natureza dos gases. Para que isso fosse possível, as duas leis da
Termodinâmica deveriam ser violadas.
Clausius retomou os trabalhos de Carnot após a morte precoce deste (Carnot morreu com
apenas 36 anos). Para que o rendimento de uma máquina térmica fosse máximo (100%) seria
necessário que a temperatura da fonte fria atingisse o zero kelvin (zero absoluto), fato que
consumiria uma quantidade infinita de transformações para resfriar um sistema a essa tempe-
ratura. Além disso, mostrou que para essa “máquina ideal” a entropia do sistema permanece-
ria igual no começo e no fim do processo, ou seja, não variaria, fato que violaria a 2a. lei da
Termodinâmica.
Atualmente, muitos pesquisadores afirmam que vivemos a terceira Revolução Industrial,
pautada pelas novas tecnologias de comunicação e informação, como a internet. As mudanças
na sociedade proporcionam diversos avanços, mas também há consequências negativas, que
na primeira e na segunda Revolução Industrial foram as condições de trabalho.
Os estudos aperfeiçoados por Watt possibilitam o desenvolvimento e a
expansão em larga escala dos motores a vapor, como ilustram as imagens do
trator (na página anterior), e do navio.
Cor
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Pho
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AGORA RESPONDA
1 Pesquise as cidades brasileiras que ainda hoje possuem trens movidos a vapor. Faça uma lista com pelo
menos três delas. Discuta com os colegas as principais utilidades desse meio de transporte nas cidades
citadas.
2 Em sua opinião, qual foi o maior benefício e também o maior prejuízo da utilização das máquinas a
vapor em larga escala?
3 Usinas termelétricas funcionam como uma máquina a vapor, uma vez que o seu combustível é utili-
zado para mover as turbinas e gerar energia elétrica. Faça uma pesquisa em grupo sobre os princi-
pais combustíveis usados nessas usinas e apresente aos colegas os pontos favoráveis e desfavoráveis
em cada caso.
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Trator a vapor de 1895.
FAÇA
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UN
IDADE
I Termologia ..........................10
•Capítulo 1: Termometria .........................12 1. Temperatura .......................................12 As partículas de um corpo ..................12 Pensando Ciência: A ideia de átomo
evolui com o tempo ............................12 2. Equilíbrio térmico ................................13 3. Medida de temperatura .......................14 4. Escalas termométricas .........................14 Saiba Mais Sobre: Nas palavras
de Fahrenheit ......................................15 5. Escala Kelvin de temperatura ..............16 Zero absoluto ou zero kelvin ..............16
6. Relação entre as escalas .....................17
•Capítulo 2: Calorimetria ........................20
1. Calor ..................................................20 Pensando Ciência: Lavoisier ...............20 Pensando Ciência: As calorias
dos alimentos .....................................22 Detalhes Sobre: O problema com
o calor ................................................22 2. Calor sensível e calor latente ...............23 3. Calor específico de uma substância ....24 Capacidade térmica de um corpo .......24 Saiba Mais Sobre: Capacidade
calorífica ............................................25 4. Equação fundamental da calorimetria ...................................25 Experimento: O mistério da praia .......27 5 Trocas de calor ...................................28 Calorímetro ........................................28
•Capítulo 3: Mudanças de fase ..............31
1. Fases da matéria .................................31 2. Fusão e solidificação ...........................33 Influência da pressão na fusão-solidificação .............................34 3. Vaporização .......................................36 Evaporação .........................................36 Pensando Ciência: Evaporação ...........37 Ebulição .............................................37 Saiba Mais Sobre: Tampe a panela ......38
Sumário 4. Diagrama de fases ..............................39 Pressão máxima de vapor ...................40 Calor latente de vaporização
e de condensação ..............................40 Saiba Mais Sobre: Temperatura
e alguns fenômenos atmosféricos .......41 Gás e vapor ........................................42 Saiba Mais Sobre: O embaçamento de
vidros e lentes ....................................44 5. Curvas de aquecimento e de resfriamento ................................45 Saiba Mais Sobre: Liofilização –
-desidratação dos alimentos ...............48
•Capítulo 4: Transmissão de calor .........49 1. Tipos de transmissão de calor .............49 2. Transmissão por condução .................49 Fluxo de calor através de um corpo ....50 Pensando Ciência: Mergulho
na piscina no inverno ........................51 3. Transmissão por convecção ................53 Saiba Mais Sobre: A inversão térmica ....55 4. Transmissão por irradiação .................56 Experimento: Latas ao Sol ...................58 Saiba Mais Sobre: Antropologia,
evolução e adaptação .........................60
•Capítulo 5: Dilatação térmica ................62 1. Dilatação dos sólidos .........................62 Dilatação linear ..................................63 Pensando Ciência: Força pra quê? .......66 Dilatação superficial e volumétrica ....66
Dilatação superficial ......................66Dilatação volumétrica ....................66
2. Dilatação dos líquidos ........................68 Dilatação da água ..............................69 A História Conta – O calor na Ciência .....72
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IDADE
II Termodinâmica ..................74
•Capítulo 6: Estudos dos gases .............76 1. Variáveis de estado .............................76 2. Modelo atômico-molecular ................76 Modelo de um gás ..............................76 Gás ideal ou gás perfeito ....................77
Pensando Ciência: Necessidade de um gás ideal .......................................77
3. Transformação isotérmica ...................77 4. Transformação isobárica .....................80 5. Transformação isovolumétrica ............81 6. Equação geral do gás ideal .................84 7. Transformação adiabática ...................85 Saiba Mais Sobre: Da estratosfera
ao solo em 16 minutos! ......................85 8. A constante de Avogadro ....................88 9. Equação de Clapeyron .......................89 10. Teoria cinética dos gases ....................91 Interpretação molecular da pressão ....92 Interpretação da temperatura do gás ...93 Energia interna ...................................93 Velocidade média das moléculas
de um gás ...........................................93 Pensando Ciência: Aerossol ................94
•Capítulo 7: Leis da Termodinâmica .....96 1. Transformações reversíveis
e irreversíveis .................................... 96 2. Trabalho realizado numa
transformação isobárica .................... 96 Trabalho calculado por área ...............97
3. Trabalho nas transformações cíclicas ............................................ 100
4. Primeira lei da Termodinâmica .........102 Aplicação da primeira lei da
Termodinâmica às tranformações gasosas .............................................103
Calor específico molar de uma gás ...104 Experimento: O balão de festa
que infla sozinho ..............................104 Saiba Mais Sobre:
Planeta sustentável ...........................107 5. Segunda lei da Termodinâmica .........108 Primeiro enunciado da
segunda lei da Termodinâmica .........109 Segundo enunciado da segunda
lei da Termodinâmica ou enunciado equivalente .....................109
6. Ciclos ...............................................110 Ciclo Otto ou ciclo de quatro tempos ..110 Ciclo Diesel .....................................110 Rendimento de uma máquina térmica ..110 Refrigerador .....................................111
Eficiência de um refrigerador ............111 Saiba Mais Sobre: Ar-condicionado
do automóvel ...................................114 7. Ciclo de Carnot ................................116 8. Irreversibilidade – degradação
de energia – entropia ....................... 118 A História Conta – A revolucionária
máquina a vapor .....................................122
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IDADE
III Óptica .................................124
•Capítulo 8: Conceitos fundamentais de Óptica ..........................126
1. Afinal, o que é luz? ..........................126 Pensando Ciência: Visão e cegueira ...127
2. Fontes de luz ....................................127 Raio de luz .......................................130 Meios de propagação da luz ............131 Saiba Mais Sobre:
Intensidade de iluminação ...............131 3. Princípios da Óptica geométrica ......132
Princípio da propagação retilínea da luz .............................132Princípio da independência dos raios de luz ............................132Princípio da reversibilidade dos raios de luz ............................132
Consequências dos princípios da Óptica geométrica .......................132
Sombra e penumbra .....................132Eclipses do Sol e da Lua ...............133
Pensando Ciência: Os perigos de observar um eclipse solar ............134
Saiba Mais Sobre: Sombras do tempo ..135Câmara escura de orifício ............137
Experimento: Faça sua câmara escura de orifício ..............................138
4. Fenômenos da Óptica geométrica ....140 5. A cor dos corpos ..............................141 Saiba Mais Sobre: Ilhas de calor .......142 Misturando luzes coloridas ...............143 A cor do céu ....................................143 Pensando Ciência:
O perigo das neblinas ......................144
Saiba Mais Sobre: O funcionamento da fibra óptica ..................................177
3. Fenômenos da refração ....................179 Dioptro plano ...................................179 Experimento: Refração
e dioptro plano .................................180 Prismas .............................................182 Dispersão da luz ..............................182 Pensando Ciência: A cor das nuvens ...184 Saiba Mais Sobre: O brilho
do diamante .....................................184 Refração da luz na atmosfera ............185 Pensando Ciência: Miragem .............185
•Capítulo 12: Lentes esféricas .................187
1. Elementos geométricos .....................188 2. Classificação das lentes ....................188 Pensando Ciência:
Fabricando lentes .............................189 Focos principais de uma
lente esférica ....................................189 Raios luminosos particulares ............190 3. Construção geométrica de imagens ... 191 Pensando Ciência: A câmara escura
de Vermeer .......................................194
4. Estudo analítico das lentes esféricas .......................... 194
Convenção de sinais .........................194 Equações ..........................................195 Pensando Ciência: Aberrações
das lentes .........................................195 Vergência das lentes esféricas ...........197 Saiba Mais Sobre: Lentes de contato ...199
•Capítulo 13: Instrumentos ópticos .......200 1. Instrumentos de projeção ..................200 Máquina fotográfica .........................200 Projetores de filmes e de slides .........201 Pensando Ciência:
Projetando imagens ..........................203 2. Instrumentos de observação ..............203 Lupa ou lente de aumento ................203 Microscópio composto .....................204 Luneta astronômica ..........................204
Luneta de Galileu ........................205 Telescópio refletor ............................205 Pensando Ciência: O cuidado
com a tradução ................................205
•Capítulo 9: Reflexão da luz ................146 1. Leis da reflexão ................................147 2. Formação de imagens nos
espelhos planos ............................... 147 Pensando Ciência:
Reconhecendo a imagem .................149 Pensando Ciência: A reflexão
da luz e os filmes de terror ...............151 Campo visual de um espelho plano ....151 Translação de um espelho plano ......153 Saiba Mais Sobre:
O fantasma de Pepper ......................155 Pensando Ciência:
Ilusão de óptica na arte ....................156 Associação de espelhos planos .........157 Experimento: A simetria
dos espelhos planos .........................158
•Capítulo 10: Espelhos esféricos ........160 Pensando Ciência: A óptica
na obra de M. C. Escher ...................161 1. Elementos geométricos dos espelhos
esféricos .......................................... 161 Condições de nitidez de Gauss ........161 Foco principal de um
espelho esférico ................................162 Raios luminosos particulares ............162 Pensando Ciência: Construindo um forno
solar com espelhos ...........................163 2. Construção geométrica das imagens ...163 Formação da imagem no espelho
côncavo ...........................................163 Formação da imagem no espelho
convexo ...........................................164 Saiba Mais Sobre: Os espelhos
de Arquimedes .................................166 Pensando Ciência: Holofote .............167 3. Estudo analítico dos
espelhos esféricos ............................ 167 Equação de Gauss ou dos pontos
conjugados .......................................167 Aumento linear transversal (A) ..........168
•Capítulo 11: Refração da luz ...............171
1. O estudo da refração .........................171 Índice de refração absoluto ...............172 2. Leis da refração ................................173 Pensando Ciência: A lei da refração ...174 Ângulo limite – reflexão total ...........176
3. O olho humano ................................207 Pensando Ciência: Ponto cego ..........208 Saiba Mais Sobre: A visão das cores ....208 Acomodação e adaptação visual ......209 Saiba Mais Sobre: Identificação
pela íris ............................................210 4. Defeitos da visão ...............................211 Miopia ..............................................211 Hipermetropia ..................................211 Presbiopia ou vista cansada ..............211 Astigmatismo ....................................211 Estrabismo ........................................211 Pensando Ciência: Outros defeitos
da visão ............................................212 A História Conta – Os fundamentos da
óptica geométrica de Johannes Kepler ....214
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IDADE
IV Ondulatória .......................216
•Capítulo 14: Ondas ..............................218 Pensando Ciência: O trafego aéreo
e a “rádio pirata” .............................218
1. Movimentos periódicos – período e frequência ........................................ 219
2. Pulsos e ondas ...................................220
3. Classissicação das ondas ...................220 Quanto à natureza ............................220 Quanto à direção de propagação ...... 221 Quanto à direção de vibração ........... 221
4. Velocidade de propagação de uma onda .....................................221
5. Ondas periódicas ..............................222
6. Ondas eletromagnéticas ....................222 Saiba Mais Sobre: A radiação
ultravioleta ........................................224
7. Reflexão de um pulso ........................225
8. Refração de um pulso ........................225
9. Interferência de onda numa corda .....226
10. Onda estacionária .............................227
•Capítulo 15: Fenômenos ondulatórios .... 230 1. Frente de onda ..................................230 Princípio de Huygens ........................231 2. Reflexão de ondas .............................231
3. Refração de ondas .............................232 Pensando Ciência: Ondas marítimas ....233 4. Difração ...........................................235 5. Polarização .......................................237 6. Interferência de ondas bidimensionais ..238 7. Ressonância ......................................239 Pensando Ciência: As ondas
das rádios ..........................................239 Saiba Mais Sobre: Ressonância
magnética .........................................240
•Capítulo 16: Acústica ............................243 1. Produção do som ..............................244 Propagação do som ...........................244 2. Qualidades do som ...........................244 Altura ou tom ....................................245 Intensidade .......................................245 Timbre ...............................................246 Escala musical ...................................247 Saiba Mais Sobre: A audição humana ...247 Pensando Ciência: Deficiência
auditiva no Brasil ...............................249 3. Sons fundamentais em cordas ...........251 Cordas vibrantes ................................252 Saiba Mais Sobre: Entendendo
a física do violão ...............................254 4. Tubos sonoros ..................................255 Tubo aberto .......................................255 Tubo fechado ....................................256 5. Fenômenos sonoros ...........................258 Ressonância ......................................260 Pensando Ciência: Afinando um
instrumento musical ..........................260 6. Efeito doppler ....................................262 Saiba Mais Sobre: Efeito doppler e
o Universo em expansão ...................263 Experimento: Calculando a velocidade
do som no ar .....................................265 A História Conta - As ondas através
da água ..................................................266
Referências ...................................................268
Respostas ......................................................269
Sugestões de leitura ....................................285
Sugestões de passeios .................................286
Sugestões de sites ........................................287
Siglas ............................................................. 288
UN
IDADE
I Termologia
Nesta unidade apresentaremos os conceitos relativos à Termologia, como temperatura, calor e sua transmissão, além das mudanças de estado da matéria. São temas presentes no nosso cotidiano, como quando observamos o gelo derreter, a água ferver ou também quando, por hábito, dizemos “que calor” ou “está frio hoje”. • Relacionamos a ideia de
calor à de temperatura, mas sabe qual é a diferença entre esses conceitos?
A FÍSICA AO NOSSO REDOR
AP
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Na imagem vemos a Cratera de Barringer ou Cratera do Meteoro, localizada numa região próxima da cidade de Winslow, EUA. O impacto causado pela queda de um meteorito nesse local provocou elevado aquecimento e fundiu as rochas no solo, levando à formação dessa grande cratera. Estima-se que ela tenha sido formada há mais de 50 mil anos.
Um ourives precisa fundir o ouro com outros metais, como prata e cobre, para confeccionar joias.
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A geada pode causar a destruição da vegetação ou de parte dela.
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• Capítulo 1 - Termometria• Capítulo 2 - Calorimetria• Capítulo 3 - Mudanças
de fase• Capítulo 4 - Transmissão
de calor• Capítulo 5 - Dilatação
térmica
12 UNIDADE I – TERMOLOGIA
TermometriaCA
PÍTULO
1
1 . TemperaturaO quente, o frio, o morno e o gelado expressam sensações térmicas. Pelo tato, por exemplo, senso-
res térmicos de nossa pele são adequados apenas para perceber as variações térmicas. Quando um adul-to encosta a mão no rosto de uma criança para saber se ela está com febre, apenas consegue perceber se o corpo dela está ou não mais quente que o normal. Se estiver, não sabe avaliar quanto.
Para que fosse possível medir temperaturas, tornou-se necessário estabelecer uma grandeza que informasse o estado térmico dos corpos.
As partículas de um corpoO grego Demócrito, que viveu entre 460 a.C. e 370 a.C., foi o primeiro a expor a teoria de que
todos os corpos são formados por partículas, que ele chamou de átomos. No entanto, somente com experimentos realizados por cientistas a partir do século XIX foi possível
constatar que os corpos são formados por partículas em constante agitação.
PENSANDOA ideia de átomo evolui com o tempo
O átomo de Demócrito no século IV a.C.; o de Pierre Gassendi (1592-1655) e Robert Boyle (1627-1691) no século XVII; o de John Dalton (1766-1844), Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850) e Amedeo Avogadro (1776-1856) no século XIX; e o de J. J. Thomson (1856-1940), Ernest Rutherford (1871-1937) e Niels Bohr (1885-1962) no século XX são muito diferentes entre si, apesar de todos esses pesquisadores terem defendido a ideia de que a matéria é constituída de pequenas partículas.
O termo átomo significa sem divisão. Para Demócrito, o átomo era o constituinte da matéria e só poderia ser concebido pela razão. Para Gassendi e Boyle, o átomo ainda era indivisível, mas se tratava de um componente real da matéria. Dalton, Gay-Lussac e Avogadro procuraram medir sua massa e volume, inaugurando um atomismo científico. No século XIX, com os experimentos de descargas elétricas em gases rarefeitos, o átomo deixou de ser indivisível e, no século seguinte, havia pelo menos três modelos que estruturavam o átomo já com divisões.
Atualmente, o campo da Física que estuda as divisões atômicas e seus componentes é a Física de partículas. O grande acelerador de partículas LHC (sigla em inglês para Grande Colisor de Hadróns, que funciona num túnel subterrâneo na fronteira entre a França e a Suíça) é o maior aliado dos cientistas na busca pelo detalhamento do átomo.
CIÊNCIA
De modo geral, verificou-se que quanto maior for o nível de agitação (energia cinética) dessas partículas num corpo, maior será a quantidade de energia térmica rela-cionada a ele. A essa propriedade da matéria foi associada a grandeza denominada temperatura.
Água fervendo na panela.
moléculas de água em grande agitação moléculas de água com pouca agitação
Cubo de gelo derretendo sobre a pia.
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13CAPÍTULO 1 – TERMOMETRIA
Estabeleceu-se que o mais baixo estado térmico seria aquele em que as partículas do corpo estivessem no seu menor estado de energia cinética. A esse estado deu-se o nome de zero absoluto de temperatu-ra. Com base nessa ideia, criou-se a escala numérica de temperaturas absolutas para expressar os estados térmicos associados aos níveis de agitação das partículas dos corpos. Antes dessa, as escalas tinham ou-tros parâmetros, como o estado em que se encontra a água ao mudar de estado físico.
Existe mais de uma escala para medir temperatura de corpos.
2. Equilíbrio térmicoVamos analisar a seguinte situação: o que acontece com a temperatura de uma garrafa com água
retirada da geladeira e deixada sobre a pia depois de algum tempo? Antes de responder, precisamos compreender um fenômeno fundamental na Termologia: o equilíbrio térmico.
Vimos que a temperatura de um corpo é a medida do grau de agitação de suas partículas. Essa agi-tação é influenciada por um tipo de energia (energia térmica) que pode ser transmitido entre os corpos ou entre um corpo e o ambiente, afetando suas temperaturas. Como a energia não pode ser criada nem destruída, ela será cedida por um corpo e absorvida pelo outro, alterando o grau de agitação das partícu-las desses corpos ou de um corpo e do ambiente em que ele está. Por exemplo, se um corpo ceder certa quantidade de energia térmica, sua temperatura cairá, indicando uma diminuição no grau de agitação de suas partículas.
Quanto maior a diferença de temperatura entre dois corpos ou entre um corpo e o ambiente, maior será o fluxo de energia térmica entre eles. Assim, em todo ambiente sempre ocorrem trocas contínuas de energia térmica entre corpos com diferentes temperaturas, de modo que os cor-pos com temperaturas maiores cedem energia térmica para os de menor temperatura. As trocas de energia ocorrem até que os corpos atinjam a temperatura de equilíbrio, ou seja, o equilíbrio térmico.
Então, quanto a nosso exemplo da garrafa com água gelada sobre a pia, podemos afirmar que de-pois de determinado tempo tanto a garrafa quanto os corpos e o ar da cozinha estarão à mesma tempe-ratura, ou seja, atingirão o equilíbrio térmico.
A energiatérmica
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B
equilíbrio térmico
B A B
Na representação, corpos a temperaturas iniciais diferentes trocam energia térmica até alcançarem o equilíbrio térmico.
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14 UNIDADE I – TERMOLOGIA
3. Medida de temperaturaPara medir o grau de agitação das partículas que constituem um corpo, são utili-
zados os termômetros, instrumentos cujo funcionamento é baseado na capacidade de dilatação e contração térmicas de certas substâncias (substâncias termométricas) ao for-necer-lhes ou deles retirar energia térmica.
Existem vários tipos de termômetro. O mais utilizado é composto de um recipiente de vidro, que possui um bulbo e um tubo capilar. Nesse recipiente é colocado um líqui-do, que pode ser mercúrio ou álcool colorido. Quando o bulbo é aquecido, o líquido se dilata e a altura se modifica ao longo do tubo. Como a altura varia com a quantidade de calor fornecida ou retirada do bulbo, associa-se essa variação à grandeza temperatura. A leitura é feita quando há o equilíbrio térmico entre o líquido no bulbo e o corpo.
Há também outros tipos de termômetro que indicam a temperatura segundo a varia-ção de grandezas físicas.
Termômetro de mercúrio.
Termômetro de cristal líquido. Mais usado em crianças; quando a fita é encostada no corpo, a substância que a compõe muda de cor.
E RESPONDAPENSE• Em que situações
você acha necessário medir a temperatura?
4. Escalas termométricasForam muitas as escalas termométricas propostas ao longo do desenvolvimento da Termometria, mas
atualmente somente três se destacam: a escala Celsius, proposta em 1742 pelo astrônomo sueco Anders Celsius (1701-1744), a escala Fahrenheit, empregada principalmente nos países de língua anglo-saxônica, proposta em 1727 pelo físico alemão-polonês Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-1736), e a escala Kelvin (proposta em 1848), elaborada pelo físico britânico William Thomson (1824-1907).
Celsius construiu seu termômetro adotando dois pontos fixos: o zero para o gelo fundente e o 100 para a água em ebulição, ambos à pressão normal de 1 atm.
FAÇA
NO C
ADERNO
Termômetro de lâmina bimetálica. É utilizado no controle de temperatura de fornos, ferros elétricos e saunas. Constitui-se de duas lâminas de metais diferentes soldadas que, quando aquecidas, dilatam-se, formando uma curva.
Termômetro de radiação. Geralmente usado em satélites meteorológicos, mede a temperatura da atmosfera e da superfície da Terra.
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Termômetro de radiação. Geralmente usado em satélites meteorológicos, mede a temperatura da atmosfera e da superfície da Terra.
Temperatura do planeta Terra medida por termômetro de radiação
Resposta pessoal. Quando há suspeita de febre, mede-se a temperatura corporal; quando se quer saber a respeito do cli-ma, mede-se a temperatura do ambiente; quando alguém vai fazer uma receita culinária, em que o forno é utilizado numa temperatura determinada, pode-se fazer essa medição etc.
15CAPÍTULO 1 – TERMOMETRIA
Fahrenheit atribuiu o zero para uma mistura de gelo, sal marinho e água e escolheu como o segundo ponto fixo a temperatura do corpo humano, ambos à pressão normal de 1 atm. Nessa escala, a tempera-tura de ebulição da água é 212.
O intervalo entre os dois pontos fixos foi dividido em 100 par-tes iguais na escala Celsius e 180 partes iguais (32 a 212) na escala Fahrenheit. Na leitura das temperaturas expressas por essas escalas, usa-se a palavra grau para o símbolo °. Por exemplo:
50 °C (lemos: cinquenta graus celsius);122 °F (lemos: cento e vinte e dois graus fahrenheit).
21,1 ºC
0 ºC
100 ºC
21,1 ºC
0 ºC
100 ºC
Celsius
70 ºF
32 ºF
212 ºF
70 ºF
32 ºF
212 ºF
Fahrenheit
Termômetros graduados nas escalas Celsius e Fahrenheit.
SAIBA MAIS SOBRE
Nas palavras de FahrenheitEu construí dois tipos de termômetros: o primeiro preenchido com o espírito do vinho, o outro com
mercúrio. O comprimento deles varia de acordo com a sua finalidade. Mas todos têm em comum a mesma quantidade de graus entre seus limites fixos. A escala dos termômetros serve meramente para fins meteorológicos, iniciando em 0 e terminando em 96. Esta escala se baseia na determinação de três pontos fixos, os quais são determinados da seguinte forma: o primeiro marca a parte mais baixa ou o começo da escala, e é encontrado por meio da mistura de gelo, água e sal-amoníaco ou sal marinho; se o termômetro é inserido nessa mistura, então o líquido desce até o ponto indicado por 0. Este procedimento é melhor realizado no inverno do que no verão. O segundo ponto é obtido quando água e gelo são misturados sem os sais mencionados; quando o termômetro é colocado nesta mistura, o líquido permanece no 32° grau, e este ponto eu chamo de ponto inicial de con-gelamento, quando no inverno a água em repouso é coberta por uma camada de gelo, o líquido termométrico atinge esse grau. O terceiro ponto encontra-se no 96° grau, e o espírito (do vinho) expande para esta marcação, quando o termômetro é colocado na boca ou embaixo do braço de uma pessoa saudável e é mantido ali tempo suficiente para alcançar completamente a temperatura do corpo [...]. As escalas dos termômetros usadas na determinação dos pontos de fervura dos líqui-dos também começam no 0 mas terminam nos 600 graus, pois esta é a temperatura que o mercúrio [...] começa a ferver.
FARENHEIT, D. G. Experimenta circa gradum caloris liquorum nonnulorum ebullientium instituta. Philosophical Transactions of the Royal Society, Londres, v. 33, 1 jan. 1724. Tradução dos autores.
Disponível em: <http://rstl.royalsocietypublishing.org/content/33/381-391/1.full.pdf+html?sid=b066d025-845d-45f0-9c94-dcc99ddffc3f>. Acesso em: 4 abr. 2013.
Agora responda
1 Fahrenheit construiu quantos tipos de termômetro? Fahrenheit construiu dois tipos de termômetro.
2 De acordo com o texto, quais eram as substâncias que preenchiam os termômetros construídos por Fahrenheit? Um era preenchido com o “espírito do vinho”, ou seja, álcool, e o outro continha mercúrio.
3 Por que a temperatura estabilizou no 32° quando o sal foi retirado da mistura gelo-água?
4 Por que a temperatura máxima medida pelo termômetro de Fahrenheit era 600 graus?
5 Fahrenheit diz que a escala dos termômetros serve meramente para fins meteorológicos, iniciando em 0 e terminando em 96. Você concorda com ele? Se não, mencione outros usos para a escala dos termômetros.
Porque esse é o ponto inicial de congelamento da água na escala Fahrenheit.
Porque nesse ponto o mercúrio que preenche o termômetro começa a ferver.
Resposta pessoal. Sugestão: Serve também para medir temperatura do corpo humano, fornos industriaist etc.
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Fahrenheit Celsius Kelvin
William Thomson (1824-1907) foi um engenheiro e físico escocês conhecido como Lorde Kelvin, graças ao título de nobreza obtido em 1848.
Correspondência entre as escalas Fahrenheit,
Celsius e Kelvin.
E RESPONDAPENSE• Suponha que você esteja no litoral, precise medir a temperatura de uma pessoa que você suspeita estar
com febre e o termômetro disponível está com a numeração apagada e não permite a leitura. Na casa em que você está tem fogão e geladeira com freezer. Qual será seu procedimento para graduar o termômetro, de acordo com a escala Celsius?
Primeiro é necessário determinar os dois pontos fixos. Coloca-se o bulbo do termômetro em uma vasilha com gelo derretendo, espera-se atingir o equilíbrio e marca-se o zero. Depois, coloca-se o bulbo próximo à água em ebulição, espera-se atingir o equilíbrio e marca-se o ponto 100. Divide-se em 100 partes iguais o espaço entre 0 e 100 e, assim, obtém-se um termômetro calibrado.FA
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O CADERNO
5. Escala Kelvin de temperaturaA escala de temperatura Kelvin (K) é denominada escala absoluta. Essa escala foi obtida observan-
do-se o comportamento de um gás, quando a volume constante variaram a pressão e a temperatura.A escala Kelvin tem a subdivisão de sua escala com o mesmo tamanho da escala Celsius. O pri-
meiro ponto fixo, isto é, o ponto de fusão do gelo, corresponde a aproximadamente 273 K, e o segundo ponto fixo, ou seja, o ponto de ebulição da água, corresponde a 373 K.
Zero absoluto ou zero kelvinComo a temperatura é uma medida do grau de agitação térmica da
estrutura atômica e molecular de uma substância, não existe, teoricamen-te, um limite superior para o valor de temperatura que uma substância pode alcançar. Entretanto, existe um limite inferior de temperatura.
Kelvin extrapolou matematicamente a resposta obtida dos estudos do comportamento da pressão e da temperatura de um gás. Sabendo que a pressão diminui com o decréscimo da temperatura, ele calculou qual seria o valor de temperatura que resultaria em uma pressão nula, ou seja, constatou que, com as moléculas inertes, o gás deixaria de exercer pres-são sobre as paredes do recipiente.
Cientistas experimentais do século XIX descobriram que é impossível reduzir a temperatura de uma substância a um valor igual ou inferior a -273,15 °C. Esse limite inferior de temperatura é chamado de zero abso-luto ou zero kelvin (0 K). Não se pronuncia a palavra grau com a tempe-ratura em kelvin (o termo kelvin é escrito por extenso, com letra inicial minúscula, ou abreviado por K em letra maiúscula).
A essa temperatura (0 K), as partícu-las não teriam nenhuma energia cinética, o que é bastante improvável depois que ficou demonstrado, pela teoria quântica, que existe uma energia cinética mínima que toda estrutura atômica deve ter.
A partir de 1954, a escala Kelvin foi adotada como unidade oficial de tem-peratura pelo Sistema Internacional de Unidades (SI).
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17capítulo 1 – TermomeTria
6. Relação entre as escalasEm um noticiário estadunidense de tevê a cabo, um jornalista disse que na cidade de Little Rock,
durante uma nevasca, a temperatura chegou a 23 graus. Um estudante brasileiro, ao ouvir isso e ver as imagens de pessoas com blusas grossas, gorros e cachecóis, ficou confuso, uma vez que quando faz 23 graus aqui no Brasil a sensação térmica é bastante agradável. Que confusão ele fez?
Nevasca na cidade de Little Rock, EUA. A medida da temperatura depende da escala utilizada. Na ilustração acima, as temperaturas estão na escala Fahrenheit.
Springfield
3922
Oklahoma City
4731
Dallas/Fort Worth
5335
Austin
5736
Houston
5440
Tallahassee
6537
New Orleans
2218
Jackson
5928
Shreveport
5331
Little Rock
4723
Nashville
3912
Montgomery
5929
Atlanta
5429 Columbia
5119
Raleigh/Durrham
4110
Roanoke
4016
Orlando
7054
Miami
7456
CorpusChristi
5848
O estudante está confundindo escalas de medida de temperatura. No Brasil, a escala de temperatura padrão é Celsius, diferentemente dos EUA, onde se usa a escala Fahrenheit.
Então, quantos graus Celsius correspondem a 23 graus Fahrenheit?Essa situação nos leva a recorrer a uma regra de correspondência entre as escalas termométricas. Consideremos, então, C, F e T as temperaturas de
um corpo nas escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin, res-pectivamente. Para obter as funções termométricas que relacionam as três escalas, vamos considerar a corres-pondência entre os pontos fixos de fusão do gelo e ebu-lição da água ao nível do mar. Colocando as três escalas com essas temperaturas devidamente alinhadas, temos a situação indicada ao lado.
Se soubermos o valor da temperatura do corpo em uma escala, poderemos obter o correspondente valor em outra, estabelecendo a seguinte proporção:
0100 0
32212 32
T 273373 273
C F
θ θ
Simplificando, temos:
C F
532
9T 273
5
Desse modo, podemos saber a quantos graus Celsius correspondem 23 °F usando a relação:
C F
532
9
100 ponto de ebuliçãoda água
ponto de fusãodo gelo
temperatura quese quer calcular
0
�C
°F K°C
�F
32 273
T
212 373
Dan
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Valores de temperaturas máxima e mínima medidas em Fahrenheit
18 UNIDADE I – TERMOLOGIA
Substituindo F por 23, obtemos:
CC5
23 329
99
1 ( 1) 5 5 °C
De fato, estava frio em Little Rock!Agora use a função termométrica correspondente
e mostre que os 23 °F correspondem a 268 K.
E RESPONDAPENSE• O vácuo é concebido como ausência
total de matéria. É possível medir a temperatura do vácuo? Justifique.
Não, pois temperatura é a medida do grau de agitação das partículas (átomos, moléculas).
ATIVIDADES RESOLVIDAS
1 Em uma sala de aula, certo dia, um termômetro registrou uma elevação de 5 °C no ambiente em um intervalo de 3 horas. Qual seria a elevação registrada se o termômetro fosse graduado na escala Fahrenheit?
Relacionando as variações no interior da sala de aula, temos:
100 180 5 9C F C F→
Para C 5 °C, obtemos:
55 9 9 °FF
F→
100ºC
��C
100
0ºC
212ºF
��F
180
32ºF
Resolução:
Resolução:
2 No laboratório de Física de um colégio, um grupo de alunos, utilizando um ter-mômetro graduado em Celsius e outro em Fahrenheit, mediu a temperatura de um corpo em situações variadas. Com o resultado das medições, construíram o gráfico ao lado. Utilizando os dados do gráfico, calcule o valor da temperatura do corpo, em graus Celsius, correspondente ao ponto A.
1000
°F
A °C
212
32A temperatura do corpo em graus Celsius correspon-dente ao ponto A é a abscissa x desse ponto. Logo, os triângulos retângulos PQA e RSA são semelhantes. Então:
1000
°F
A °C
212
32
R
P
Q
S
3 Um termômetro de mercúrio é calibrado de modo que, na temperatura de 0 °C, a altura da coluna é de 4 cm, e, na temperatura de 100 °C, a altura é de 8 cm. Determine: a) a função termométrica que relaciona a temperatura (�
c) com a altura (h) da coluna de mercúrio;
b) a altura da coluna quando a temperatura é de 40 °C.
QASA
PQRS
0 x100 x
32 0212 0
x100 x
32212
212x 3200 32x 180x 3200
x 17,8 °C
⇒ ⇒ ⇒
⇒ ⇒ ⇒⇒
Portanto, a temperatura do corpo correspondente ao ponto A é de aproximada-mente –17,8 °C.
FAÇA
N
O CADERNO
Grá
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dito
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Set
up
19CAPÍTULO 1 – TERMOMETRIA
a) Usando a proporcionalidade entre as alturas correspondentes e as informações do enun-ciado, escrevemos:
h 48 4
0100 0
h 44 100
C C��
���
� �� �⇒ ⇒
⇒⇒ 25h 100C� � �
b) Fazendo �C � 40 °C, obtemos:
40 � 25h � 100 ⇒ 25h � 140 ⇒ h � 5,6 cm
0 �C
100 �C8 cm
4 cm
h �C
Resolução:
ATIVIDADES PROPOSTAS
FAÇA
N
O CADERNO
1 Quando se constroem termômetros nas escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin, em quantas partes iguais são divididos os intervalos existentes entre os pontos fixos em cada caso? Justifique sua resposta.
2 Ao nível do mar, um termômetro de gás com vo-lume constante indica as pressões correspondentes a 80 cm de Hg e 160 cm de Hg, respectivamente, para as temperaturas do gelo fundente e da água em ebulição. À temperatura de 20 °C, qual é a pressão indicada por esse termômetro? 96 cm de Hg
3 Determine a temperatura que, na escala Fahrenheit, é expressa por um número quatro vezes maior que o correspondente na escala Celsius. � 14,55 °C
4 Observe o gráfico abaixo. Existe uma determinada temperatura indicada pelo mesmo número, quan-do medida nas escalas termométricas Celsius e Fahrenheit. Qual é esse número?
100
C
0
ºC
212
F � C
32
ºF
5 Nos boletins meteorológicos dos diversos meios de comunicação, as temperaturas são geralmen-te indicadas nas escalas Celsius e/ou Fahrenheit. Entretanto, embora a escala Kelvin seja a unidade de medida de temperatura do SI, não vemos as tem-peraturas serem informadas na escala Kelvin. Se o boletim meteorológico informa que no dia as tempe-raturas mínima e máxima numa determinada cidade serão, respectivamente, 23 °F e 41 °F, qual é a varia-ção dessa temperatura na escala Kelvin?
6 Sob pressão atmosférica normal, um termômetro graduado na escala Celsius e outro graduado numa
1. 100, 100 e 180, respectivamente. É o número de unidades que existe entre dois pontos fixos, o gelo fundente e a água em ebulição.
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10 K
escala termométrica arbitrária A se relacionam se-gundo o gráfico a seguir:
0
� (ºC)
40
100
90
� (ºA)
Qual é a temperatura de ebulição da água na escala A?
7 (Ceeteps-SP) Em algumas cidades brasileiras encon-tramos, em vias de grande circulação, termômetros que indicam a temperatura local medida na escala Celsius. Por causa dos jogos da Copa, no Brasil, os termômetros deverão passar por modificações que permitam a informação da temperatura também na escala Fahrenheit, utilizada por alguns países. Portanto, após essa adaptação, um desses termô-metros que indique, por exemplo, 25 °C, também apontará a temperatura deDado: Equação de conversão entre as escalas Celsius e Fahrenheitt
5tCelsius Fahrenheit�
� 329
a) 44 °F. b) 58 °F.
c) 64 °F. d) 77 °F
8 (Mack-SP) Um estudante observa que, em certo ins-tante, a temperatura de um corpo, na escala Kelvin, é 280 K. Após 2 horas, esse estudante verifica que a temperatura desse corpo, na escala Fahrenheit, é 86 °F. Nessas 2 horas, a variação da temperatura do corpo, na escala Celsius, foi de: a) 23 °C b) 25 °C c) 28 °C
d) 30 °C e) 33 °C
Edi
toria
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Art
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120 °A
X
X
