Programas interativos e ilustrativos

Listamos agora uma série de programas relacionados com os temas abordados no curso.

Calor da comida

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Convecção

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Condução

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Movimento browniano

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Transferência de calor

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Meio ambiente

Os materiais poluentes expelidos por automóveis e indústrias em grandes cidades ficam dispersos na atmosfera. Por serem expelidos nas camadas inferiores da atmosfera que tem uma temperatura maior do que o ar das camadas superiores, os poluentes tendem a subir e o ar puro da atmosfera mais fria tende a descer. Esse fenômeno se dá devido aos materiais presentes nas construções das aglomerações urbanas. Há muito concreto e asfalto, bons absorvedores de energia, ou seja, eles têm alta capacidade térmica. Entretanto, no inverno, os poluentes expelidos ficam com menor temperatura do que o ar puro das camadas superiores. Conseqüentemente, o ar poluído não sobe para as camadas superiores, pois não há convecção. Tal fenômeno é chamado inversão térmica. As conseqüências da inversão térmica incluem a secura do ar no inverno e o agravamento dos problemas respiratórios nos habitantes das grandes cidades.

Figura 13 - Inversão térmica em São Paulo.

Aplicações tecnológicas

Uma aplicação tecnológica muito importante do processo de convecção está relacionada com as usinas geradoras de energia. A grande maioria, e aqui podemos citar como exemplo as usinas termoelétrica e nucleares, funciona de modo a aquecer um reservatório de água. A água sobe por convecção e é conduzida por dutos. O fluxo desse vapor d’água no duto faz girar pás posicionadas num lugar mais alto que o reservatório. Desse giro a energia mecânica é transformada em energia elétrica por um gerador acoplado às pás. O funcionamento das usinas em geral são todos análogos a esse. Na termoelétrica, a água é aquecida pela queima de carvão. Na nuclear, reações nucleares aquecem a água.

Figura 10 - Ilustração do princípio de funcionamento de uma usina termoelétrica.

 O vídeo a seguir representa o funcionamento de uma usina termoelétrica.

Alguns aparelhos de controle da temperatura, como o ar condicionado e o aquecedor, estão posicionados de maneiras estratégicas, de maneira que o ar condicionado está sempre posicionado em cima no cômodo e o aquecedor em baixo.

Figura 11 - O ar condicionado em cima.

Figura 12 - Lareira, um aquecedor a lenha, na parte de baixo da sala.

 Comente e debata com seus colegas o porquê do ar condicionado ser colocado em cima do cômodo, enquanto a lareira é colocada em baixo. 

Relacione este fato com o conceito de convecção estudado e procure outros exemplos de situações em que ele ocorre.

Vídeos sobre convecção

Seguem diversos vídeos que ilustram o conceito da convecção:

Usem o seguinte programa para entender o modelo atômico que explica a flutuação do balão e em seguida vejam o vídeo abaixo e responda à questão proposta.

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Assista ao seguinte vídeo e responda nos comentários: por que os balões voam? Qual o perigo que representam para o ambiente urbano?

Proposta de experimento de convecção

O seguinte roteiro instrui um experimento simples para ilustrar a convecção.

Materiais necessários:

- 1 batata pequena;

- 1 copo pequeno;

- 1 ralador para ralar a batata;

- 1 vela;

- água.

Rale a batata em tiras finas e coloque no copo com água. Coloque o copo sobre a chama da vela, de modo a esquentar sua base e aguarde alguns minutos.

Responda às seguintes questões:

1. Como se comportam os pedaços de batata dentro d'água?

2. Seria possível fazer uma analogia com o movimento observado e os conceitos aqui estudados? Se sim, quais?

3. Explique o fenômeno observado com base nos estudos realizados.

Convecção térmica

O fenômeno da convecção se dá pelo fato do calor produzir a agitação das moléculas. Por serem mais livres nos fluídos, as moléculas se afastam, causando uma diferença de densidade e consequentemente uma diferença de pressão no líquido. Assim, moléculas localizadas em partes mais quentes (com maior temperatura) migram para as partes mais frias (menor temperatura), pois maior temperatura implica em menor concentração de matéria, menor densidade. O movimento se dá por meio dessa diferença de densidade e de pressão. A Figura 7 ilustra o conceito:

Figura 7 - a convecção agindo em água exposta a uma fonte de calor.

Figura 8 - a geladeira é projetada de modo a se utilizar do fenômeno da convecção. O ar quente que vêm da parte inferior da geladeira entra em contato com o ar frio do congelador, levando à criação de uma corrente de convecção no interior do eletrodoméstico.

A Figura 8 mostra uma aplicação desse fenômeno: a geladeira. A disposição do congelador garante que o ar no interior do aparelho se mantenha sempre em circulação. Dessa maneira, é garantido o resfriamento dos alimentos no interior do eletrodoméstico.

Outro fenômeno relacionado com a convecção pode ser observado no litoral. Este fenômeno é chamado de brisa marítima. Durante o dia, o sol aquece a terra e o mar. Porém, como o calor específico da areia é menor que o da água, as suas temperaturas são diferentes. Nesse período a areia é mais quente que o mar. O ar mais quente em contato com a areia sobe por convecção, deixando uma diferença de pressão entre o ar do mar e da costa. Dessa maneira, surge uma brisa marítima que vai do mar à costa. Já à noite, o processo se inverte, pois a areia perde calor mais rápido que a água, que o retém por maior tempo. Com isso, o ar mais quente sobre o mar sobe e a diferença de pressão inverte o sentido da brisa marítima: vai da terra ao mar.

Figura 9 - Ilustração da brisa marítima.

Proposta de experimento de condução

Para ilustrar a questão da convecção térmica, faça o seguinte experimento :

            Materiais necessários: Vela, Palito de fósforo, arame e garrafa de vidro para amarrar o arame.

            1- Pingue cera com uma vela no arame de modo que os pingos caiam sobre a extensão do arame e fiquem com uma distancia de aproximadamente 2 centimetros um do outro, e espere eles endurecerem.

            2- Amarre o arame na garrafa de maneira que ele fique rígido e esticado na posição horizontal com os pingos para baixo.

            3- Acenda a vela e coloque sua chama na ponta livre do arame e espere uns segundos.

            Perguntas :

1-      O que você espera que irá acontecer ?

2-      O que você observou que aconteceu após realizado o experimento ?

3-      Quais foram os pingos que se derreteram primeiro ?

4-      Explique o fenômeno observado com base no que você estudou a respeito de condução térmica.

5-      Escreva possíveis dúvidas que ocorreram no decorrer da realização do experimento.