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.

Calor específico

Podemos estabelecer uma relação matemática entre calor cedido, medido em J (Joules), e a variação da temperatura de um corpo de massa m medido em kg. Vale a seguinte relação: Q=mcDT, onde Q é o calor cedido ao corpo, m a sua massa, DT o aumento na temperatura do corpo e c uma constante característica de cada substância, chamada calor específico, cuja unidade é o J/kg×K. Também é comum a adoção das unidades cal/g׺C, mais utilizada na prática. Dessa maneira, corpos com calor específico menor são melhores condutores térmicos pois com menor calor cedido apresentam maior variação da temperatura.

 Segue, na Tabela 1, alguns valores de calores específicos de diversos materiais:

Tabela 1 - alguns valores de calor específico para diferentes substâncias.[1]

SUBSTÂNCIA	c (cal/g.oC)	c (J/kg.K)
Água	1,0	4,2.103
Gelo	0,55	2,3.103
Alumínio	0,22	9,2.102
Ferro	0,11	4,6.102
Latão	0,094	3,9.102
Cobre	0,092	3,9.102
Prata	0,056	2,3.102
Chumbo	0,031	1,3.102

Pela tabela, é evidente a menor condutividade dos líquidos, como a água. Entretanto, quando um fluído, como os líquidos e os gases, é submetido a uma fonte de calor, é possível observar uma movimentação da amostra. A água fervente entra em intenso movimento. Dessa maneira, nestes meios fluídos ocorre outro tipo de transmissão de calor, chamado convecção.

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[1] Tabela extraída do link http://www2.pelotas.ifsul.edu.br/denise/caloretemperatura/caloretemperatura_texto.pdf

Condução térmica

Até o presente momento do curso, estamos tratando de um conceito de transformações. Uma fonte de energia é necessária para que o calor transite de um corpo a outro. Entretanto, em muitas situações, o calor necessita de um meio para circular. A transferência de calor pode ser muito lenta em meios materiais chamados isolantes e muito rápida nos condutores térmicos. Chamamos de condução o processo pelo qual as moléculas de um corpo gradualmente se agitam e transmitem a energia cedida a uma parte do corpo. Para que tal fenômeno ocorra, é necessário um meio material para a propagação da energia, pois a transmissão se dá de molécula a molécula num efeito em cadeia, como ilustrado na Figura 2.

Figura 2 - ilustração da condução.

 O vídeo abaixo, mostra este processo feito experimentalmente.

Esse processo dependerá basicamente do material do corpo e do seu estado. Assim, materiais mais densos e com mais partículas livres na sua estrutura molecular, como os metais, são melhores condutores térmicos. Em contrapartida, materiais menos densos, como os líquidos e os gases, bem como aqueles com menos partículas livres, como no caso da madeira e da cerâmica, são piores condutores térmicos.

Em contrapartida, existe uma grandeza que mede diretamente a capacidade de um material transmitir o calor. A partir da equação que caracteriza a lei de Fourier, percebemos que para cada material é possível associar uma constante K, que nos diz a facilidade desse material conduzir o calor. Segue a fórmula citada:

onde K é o coeficiente de condutibilidade térmica, a constante citada anteriormente. A é a área da seção atravessada, delta teta é a diferença de temperatura, delta t é o tempo de transmissão de calor e e é a espessura do material. Todas essas grandezas estão ilustradas na Figura 2:

Figura 3 - lei de Fourier ilustrada.

Na tabela abaixo, colocamos alguns valores típicos do coeficiente de condutibilidade térmica.

Tabela 1 – Valores da constante K.

 

A partir desse conceito, também podemos definir outra grandeza útil chamada fluxo de calor, que nos informa sobre a quantidade de calor transmitida por um corpo num intervalo de tempo padronizado. Segue a expressão dessa grandeza:

As unidades usuais para o fluxo de calor é cal/s ou W (J/s).

Duas aplicações cotidianas desse fenômeno são o cobertor e o isopor. Em noites frias dormimos com cobertor, que nos mantém aquecidos. Não se trata do aquecimento do corpo pelo cobertor, pois o tecido está a mesma temperatura do ambiente quando deitamos. O que de fato nos aquece é o nosso próprio corpo. O cobertor nos isola termicamente, impedindo que percamos calor para o ambiente, pois o cobertor é um bom isolante térmico, além de ser bem confortável. Já o isopor atua de forma similar. O gelo e as bebidas colocadas no seu interior ficam isoladas termicamente do ambiente, permitindo que sua temperatura permaneça por muito mais tempo mesmo com grande calor no exterior.

Figura 4 - O cobertor isola o corpo termicamente.

Figura 5 - O isopor também é um isolante térmico.

Questões para serem comentadas: por que os esquimós constroem suas casas, os iglus, com blocos de gelo?

Por que, ao retirar alguma forma quente do forno, usamos luvas térmicas ou um pano de prato?

Conceitos teóricos sobre calor

Para que um corpo transfira calor, é necessário que alguma fonte de energia passe por uma transformação. Dessa mudança de uma forma de energia para calor, é possível extrair trabalho, ou seja, transformar energia em movimento. Máquinas térmicas, como motores e turbinas são capazes de transformar energia em movimento útil para nossa vida cotidiana. De maneira similar, os alimentos que ingerimos contém energia que passará por um processo químico nos nossos corpos e será transformada em trabalho, em movimento.

Estamos tratando de um conceito de transformações. Uma fonte de energia é necessária para que o calor transite de um corpo a outro. Entretanto, em muitas situações, o calor necessita de um meio para circular. A transferência de calor pode ser muito lenta em meios materiais chamados isolantes e muito rápida nos condutores térmicos. 

Proposta de atividade sobre energia

Em casa, procurem por embalagens de alimentos que contenham as informações nutricionais.

Nos comentários, escreva a quantidade de energia que cada alimento possui, bem como a massa da porção especificada pela embalagem. Comparem diferentes valores de energia contida nos alimentos e faça uma discussão com os colegas a respeito da particularidade de cada alimento.

Quais alimentos se mostraram mais calóricos? E os menos calóricos?

Como podemos comparar alimentos de massas diferentes?

Entre os itens pesquisados, escolha o mais calórico e o menos calórico e responda à seguinte pergunta:

Quantos gramas do alimento menos calórico você precisa comer para ter a energia de 100 gramas do mais calórico?

História

Os fenômenos relacionados com a variação da temperatura em corpos colocados em contato estão relacionados com uma grandeza estudada pela física: o calor.

Podemos remontar as investigações desses fenômenos até os gregos antigos, passando pelos estudiosos que seguiram os movimentos suscitados pela renascença, como Roger Bacon, Kepler, Francis Bacon, Boyle e Galileu. Muitas eram as concepções sobre esses fenômenos: movimento, fluído, vibrações do éter etc. Entretanto, em dado momento prevaleceram as idéias ligadas a duas frentes principais: o calor como fluído e o calor como movimento de moléculas microscópicas nos corpos. Lavoisier (1743-1794) propôs em 1789 um modelo no qual o trânsito de uma substância específica, o calórico, produzia os fenômenos de calor. Benjamin Rumford Thompson (1753-1814), em contrapartida, ao observar o aquecimento cilindros metálicos perfurados na produção de canhões, desconfiou do calor como uma forma de movimento. Apenas em 1840, com o experimento de Joule (1818-1889), no qual paletas eram acionadas dentro d’água e a energia transferida por meio da agitação térmica era medida pela variação da temperatura da água, o modelo do movimento prevaleceu.

Figura 1 - Aparato experimental utilizado por Joule para demonstrar que o calor é a energia da agitação das moléculas dos corpos.

O seguinte vídeo ilustrará o experimento realizado por Joule para entender a relação entre calor e energia mecânica.

Segue uma breve linha do tempo com os eventos mais importantes da física no período no qual a termodinâmica estava sendo desenvolvida.

 1738 - Daniel Bernoulli levanta a hipótese de que os gases são compostos de uma infinidade de partículas minúsculas, sempre em movimento. E que a temperatura de um gás reflete a velocidade dessas partículas. Também publica estudos sobre a pressão e a velocidade dos fluidos.

1752 - Benjamim Franklin publica o resultado de suas observações sobre raios, propondo que existem dois tipos de carga elétrica, a positiva e a negativa. Propõe também a lei da atração e repulsa das cargas de acordo com seu sinal.

1785 - Charles Augustin Coulomb enuncia a lei das forças eletrostáticas.

1800 - William Herschel descobre que o Sol emite, além de luz, outro tipo de raio: os raios infravermelhos.

1801 - Thomas Young demonstra que a luz é, ou pode se comportar como uma onda.

1801 - Carl Ritter descobre a radiação ultravioleta.

1820 - Hans Oersted aproxima uma bússola de um fio eletrificado, mostrando que a corrente elétrica podia mover o ponteiro da bússola dando uma demonstração prática de que as forças elétricas e magnéticas têm propriedades comuns.

1820 - André-Marie Ampère formula leis da eletrodinâmica.

1821 - Michael Faraday propõe os fundamentos da indução eletromagnética.

1824 - Nicolas-Leonard-Sadi Carnot dá início à termodinâmica em uma tentativa de avaliar e aumentar a eficiência das máquinas a vapor.

1827 - Georg Simon Ohm formula a lei que relaciona o potencial, a resistência e a corrente elétrica.

1831 – Michael Faraday propõe a indução eletromagnética.

1831 - James Maxwell descreve a luz como uma onda eletromagnética.

1839 - Antoine Becquerel descobre um dispositivo capaz de captar energia da luz, a célula fotovoltaica.

1842 - Christian Doppler formula as bases do efeito Doppler.

1843 - James Prescott Joule constrói uma máquina capaz de medir a equivalência mecânica do calor, determinando assim a quantidade de trabalho mecânico necessária para produzir uma unidade de calor.

1847 – A experiência de Joule torna possível a afirmação da chamada Lei de Conservação da Energia, ou Primeira Lei da Termodinâmica. Definida por Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz.

1848 - William Thomson, o Lorde Kelvin, verifica que a temperatura dos corpos não pode diminuir indefinidamente. Chegando a um limite a partir do qual ela não cai mais, denominado zero absoluto.

1849 - Armand Fizeau mede a velocidade da luz.

1850 – Rudolf Julius Emanuel Clausius cria a Segunda Lei da Termodinêmica.

Comente sobre a relação entre a evolução dos estudos na termodinâmica e a revolução industrial.

Pré teste (2)

Um conceito que muitas vezes causa confusão por grande das pessoas é o calor e a temperatura.

            Pesquise e comente o que é temperatura, dando exemplos de situações em que a temperatura está envolvida.

Pré teste

Para que este curso seja mais bem aproveitado pelos alunos, é importante que eles tenham alguns conhecimentos para que possam entender melhor o conteúdo abordado durante as aulas.

            Lembrem-se que os comentários não devem ser um espaço para monólogos, mas um espaço onde você deve ler os comentários dos colegas, comentar, problematizar e complementar, transformando a seção de comentários em uma grande discussão onde ocorre o diálogo entre os estudantes.

            Antes de iniciarmos o estudo do curso vamos retomar o conceito de energia.

            Comente e discuta com seus colegas que também o que seria energia, dando exemplos de tipos de energia e situações nas quais ocorrem transformações de energia.

            Discuta também, a relação entre energia e trabalho.

Introdução

O presente blog conduzirá um curso online de física concentrado nas temáticas de calor, condução e convecção. Nossas principais refecencias são o GREF[1], o livro didático de física de Ensino Médio (EM) do Alberto Gaspar[2] e o livro de EM do Nicolau[3].

O curso iniciará com uma contextualização histórica para situar o estudante na linha do tempo dos conceitos estudados. Haverá, a seguir, uma teoria sobre os fenômenos físicos envolvidos no curso além de diversos vídeos e experimentos virtuais que podem ser acessados pela biblioteca de vídeos disponível na página. Serão também propostos experimentos práticos e de fácil realização com materiais baratos e acessíveis para ilustrar os conceitos estudados. No decorrer do curso, serão propostas perguntas capazes de dar maior atividade ao aluno, possibilitando melhor acompanhamento dos resultados da aprendizagem por parte do professor que se interessar na aplicação do curso. Também disponibilizaremos alguns programas de fácil execução para ilustrar os conceitos abordados no curso. Basta que o computador tenha instalado o Java em seu computador.

Pretendemos, com esse curso, que os alunos entendam e consigam relacionar os fenômenos de calor, condução e convecção com suas experiências cotidianas, bem como esclarecer a relevância desses tópicos tão abrangentes na sociedade.

Bons estudos!

[1]GRUPO DE REELABORAÇÃO DO ENSINO DE FÍSICA (2007) Física 2: física térmica, óptica. 5ª edição, 4ª reimpressão, São Paulo: Editora da Universidade de São Paulo, p. 29-97.

[2]GASPAR, A. (2007) Física 2: ondas, óptica, termodinâmica. 1ª edição, 4ª reimpressão, São Paulo: editora Ática, p. 309-334.

[3]NICOLAU, G. F.; PENTEADO, P. C.; TOLEDO, P. S.; TORRES, C. M. (2001) Física, ciência e tecnologia. São Paulo: editora Moderna, p. 244-249.