2º F- Física - aula de 08/05- Veja os vídeos, leia o texto e faça, no caderno, as questões. Depois, envie para o email: professora.abud@gmail.com

         Habilidades:

• Estimar medidas de temperatura. 
• Associar temperatura com grau de agitação das moléculas. 
•  Realizar conversões de temperatura utilizando as escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin. 
• Compreender e aplicar a situações reais o conceito de equilíbrio térmico. 
• Identificar calor como processo dinâmico, diferenciando-o de temperatura. 
• Reconhecer condução, convecção e irradiação.

Temperatura e calor

Os termos Temperatura e Calor muitas vezes são usados como sinônimos. Embora os dois conceitos estejam associados, eles possuem definições diferentes.

Temperatura e calor são conceitos fundamentais da Termologia, que é a área da Física que estuda os fenômenos associados ao calor, como a temperatura, dilatação, propagação de calor, comportamento dos gases, entre outros. Muitas vezes, esses dois conceitos são utilizados como sinônimos, porém, apesar de estarem associados, são aspectos distintos.

·         Temperatura

A temperatura é uma grandeza física utilizada para medir o grau de agitação ou a energia cinética das moléculas de uma determinada quantidade de matéria. Quanto mais agitadas essas moléculas estiverem, maior será sua temperatura.

O aparelho utilizado para fazer medidas de temperatura é o termômetro, que pode ser encontrado em três escalas: Celsius, Kelvin e Fahrenheit.

A menor temperatura a que os corpos podem chegar é chamada de Zero absoluto, que corresponde a um ponto em que a agitação molecular é zero, ou seja, as moléculas ficam completamente em repouso. Essa temperatura foi definida no século XIX pelo cientista inglês Willian Thompson, mais conhecido como Lord Kelvin. O zero absoluto tem os seguintes valores: 0K – escala Kelvin e -273,15 ºC – na escala Celsius.

·         Calor

O calor, que também pode ser chamado de energia térmica, corresponde à energia em trânsito que se transfere de um corpo para outro em razão da diferença de temperatura. Essa transferência ocorre sempre do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura até que atinjam o equilíbrio térmico.

É muito comum ouvirmos algumas expressões cotidianas associando calor a altas temperaturas. Em um dia quente, por exemplo, usa-se a expressão “Hoje está calor!”. Porém, corpos com baixas temperaturas também possuem calor, só que em menor quantidade. Isso quer dizer apenas que a agitação das moléculas é menor em corpos “frios”.

A unidade de medida mais utilizada para o calor é a caloria (cal), mas a sua unidade no Sistema Internacional é o Joule (J). A caloria é definida como a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de 1g de água em 1ºC.

A relação entre a caloria e o Joule é dada por: 1 cal = 4,186 J

Termômetros e escalas termométricas

Termômetro mede a temperatura dos sistemas físicos. Seus tipos mais comuns baseiam-se na dilatação do mercúrio e usam as escalas termométricas Celsius, Fahrenheit e Kelvin.

Nos dias atuais, caso fiquemos com febre, podemos medir a temperatura corporal com os mais variados tipos de termômetros, como os tradicionais, com tubos capilares contendo mercúrio, e os termômetros digitais. Sabemos que nem sempre foi tão fácil assim, pois, tempos atrás, para verificar se uma pessoa estava com febre, era preciso que outra pessoa encostasse a mão na testa para medir sua temperatura.

Historicamente, sabe-se que o primeiro termômetro era formado por uma parte de vidro arredondada, denominada bulbo, e um fino pescoço de vidro. Esse tipo de termômetro foi inventado pelo grande físico, matemático e astrônomo Galileu Galilei. Galileu aquecia o bulbo retirando parte do ar que estava dentro para, assim, poder emborcar o tubo dentro da água. Após mergulhar o tubo na vasilha com água e corante, a temperatura do bulbo voltava a seu valor normal, fazendo com que a água subisse através do tubo até certa altura.

Dessa maneira, ele conseguia realizar comparações entre os mais variados objetos que eram colocados em contato com o bulbo de seu termômetro, pois ele observou que a altura da coluna de água dependia da temperatura do objeto, ou seja, quanto mais alta fosse a temperatura, mais alta ficaria a coluna de água. Portanto, Galileu realizava medições de temperatura de maneira indireta por comparação.

Com base no termômetro construído por Galileu, vários outros cientistas dedicaram-se também à construção desses equipamentos. Embora os termômetros à base de líquidos tenham sido inventados há muitos anos (em torno de 400 anos), o termômetro comum, como o da figura acima, com mercúrio dentro de um tubo de vidro, foi usado amplamente apenas nos últimos oitenta anos e é esperado que caia em desuso em razão do perigo que o mercúrio apresenta para nossa saúde.

Escalas termométricas

Variando-se a temperatura, o nível de agitação térmica também varia. No entanto, essa variação nem sempre é perceptível a olho nu. Não sendo possível a medição da agitação térmica, utiliza-se o termômetro, construído de um material cuja grandeza termométrica varia com a temperatura e é perceptível a olho nu.

A fim de graduar uma escala termométrica, tomam-se pontos de referência de estados térmicos bem definidos e de fácil obtenção, chamados de pontos fixos, obtidos sob pressão normal. O primeiro ponto fixo é o ponto de gelo (ponto de fusão), e o segundo é o ponto de vapor (ebulição da água).

Abaixo, temos as principais escalas termométricas:

Escala Celsius

Na escala Celsius, o ponto de gelo é 0 e o ponto de vapor é 100. Nessa escala, o intervalo entre os pontos fixos é dividido em 100 partes iguais, e cada divisão corresponde a 1 grau.

Escala Fahrenheit

Na escala Fahrenheit, o ponto de gelo é 32 e o ponto de vapor é 212. Nessa escala, o intervalo entre os dois pontos fixos é dividido em 180 partes iguais, e cada divisão corresponde a 1 grau fahrenheit (1 °F).

Escala Kelvin

Na escala Kelvin, o ponto de gelo é 273 e o ponto de vapor é 373. Nessa escala, o intervalo entre os dois pontos é dividido em 100 partes iguais, e cada divisão corresponde a 1 kelvin (1 k).

Assim, definimos a correspondência entre essas escalas da seguinte maneira:

0°C = 32 °F = 273 K
100°C = 212 °F = 373 K

Conversão de Escalas

Celsius para Kelvin, Kelvin para Celsius

A diferença entre as escalas Celsius (C) e Kelvin (K) é simplesmente o ponto 0. Assim para fazermos a conversão basta somar 273:

K=C+273

Ex: Converta 37°C para a escala Kelvin.

K = C + 273
C = 37°C
K = 37 + 273
K = 310K

Celsius para Fahrenheit, Fahrenheit para Celsius

Observando a figura vemos que a diferença entre os pontos de fusão e de ebulição da água representam a mesma variação de temperatura. Logo:

C−0100−0=F−32212−32

C100=F−32180

Simplificando, temos:

C=F−321,8

ou

F=1,8C+32

Ex: Converta 37°C para a escala Farenheit.

F=1,8⋅37+32

F=66,6+32

F=98,6

Ex.: Converta 95°F para a escala Celsius:

C=95−321,8

C=631,8

C=35

Kelvin para Fahrenheit, Fahrenheit para Kelvin

Para converter da escala Kelvin para Fahrenheit, podemos converter de Celsius para Kelvin e então para Farenheit ou usar a fórmula:

C5=F−329

C=K−273

K−2735=F−329

Equilíbrio térmico

  

Equilíbrio térmico é a situação obtida após dois ou mais corpos trocarem calor e, então, alcançarem uma temperatura igual entre si.

Confira o que estabelece o enunciado da lei zero da Termodinâmica:

“Se dois corpos encontrarem-se em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, então, esses corpos estarão em equilíbrio térmico entre si.”

Outra forma de entendermos o equilíbrio térmico é a partir da energia interna dos corpos. A energia interna, ou simplesmente energia térmica, é uma grandeza física diretamente proporcional à temperatura do corpo. Por isso, caso haja corpos com diferentes temperaturas dentro do mesmo sistema termodinâmico, eles estarão com diferentes módulos de energia interna e, portanto, transferirão parte dessa energia entre si até que não haja nenhuma diferença entre suas energias internas. Quer saber mais sobre o que é energia interna e quais são as suas propriedades? Acesse o artigo: Energia interna.

Calor e equilíbrio térmico

A transferência de calor sempre ocorre de forma espontânea, no sentido do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura. Essa transferência de energia em forma de calor pode ocorrer por meio de processos como a condução, convecção e radiação.

• Condução: É a transferência de calor entre corpos que ocorre especialmente em sólidos. Nesse tipo de condução, não ocorrem transferências de massa. Esse tipo de transferência de calor explica como ocorre o equilíbrio térmico em metais, por exemplo.
• Convecção: É uma transferência de calor que ocorre em fluidos. Nessa modalidade de transferência de calor, há a transferência de massa, uma vez que o fluido aquecido move-se, formando correntes de convecção até que todo o fluido atinja o equilíbrio térmico.
• Radiação: É a transmissão de calor por meio de ondas eletromagnéticas, portanto, esse processo ocorre mesmo que não haja um meio físico entre o corpo e outro corpo em diferentes temperaturas. O calor que é transferido, nesse caso, é o equivalente a ondas eletromagnéticas de menor energia que a luz visível, tratando-se, dessa forma, de radiações térmicas, localizadas na região do infravermelho.

Lista de Exercícios

Questão 1

(UFFluminense-RJ)

Um turista brasileiro, ao desembarcar no aeroporto de Chicago, observou que o valor da temperatura lá indicado, em °F, era um quinto do valor correspondente em °C.

O valor observado foi:

a) - 2 °F
b) 2 °F
c) 4 °F
d) 0 °F
e) - 4 °F

Questão 2

(FEI-SP)

ma diferença de temperatura de 100 ºC equivale a:

a) 112 ºF
b) 212 ºF
c) 180 ºF
d) 132 ºF
e) 68 ºF

Questão 3

Assinale a alternativa que apresenta o nome de uma lei da física que explica como ocorre o fenômeno termodinâmico conhecido como equilíbrio térmico.

a) Terceira lei da termodinâmica

b) Lei de Steffan-Boltzmann

c) Lei da gravitação universal

d) Primeira lei da termodinâmica

e) Lei zero da termodinâmica

Questão 4

(ITA) O verão de 1994 foi particularmente quente nos Estados Unidos da América. A diferença entre a máxima temperatura do verão e a mínima do inverno anterior foi de 60ºC. Qual o valor dessa diferença na escala Fahrenheit?

a) 33ºF

b) 60ºF

c) 92ºF

d) 108ºF

e) 140ºF

Questão 5

(Unesp 2003) Uma panela com água é aquecida de 25°C para 80°C. A variação de temperatura sofrida pela panela com água, nas escalas Kelvin e Fahrenheit, foi de:

a) 32 K e 105°F.

b) 55 K e 99°F.

c) 57 K e 105°F.

d) 99 K e 105°F.

e) 105 K e 32°F.

Questão 6

Julgue as afirmações abaixo:

I – A escala Celsius atribui 0° para o ponto de fusão do gelo e 100º para o ponto de ebulição da água;

II – O limite inferior para a escala Kelvin corresponde a -273°C;

III – 1°C equivale a 1°F.

Estão corretas:

a) I e II apenas

b) I e III apenas

c) I, II e III

d) II e III apenas

e) I apenas

Questão 7

Existe uma temperatura que tem o mesmo valor na escala Celsius e na escala Fahrenheit. Qual é essa temperatura?