SEMANA 4 ATIVIDADE 4 E 5

TRANSMISSÃO DE CALOR & INTRODUÇÃO TERMODINÂMICA

A propagação do calor entre dois sistemas pode ocorrer através de três processos diferentes: a condução, a convecção e a irradiação

FLUXO DE CALOR

Seja Q a quantidade de calor que passa por uma superfície S num intervalo de tempo Δt. Definimos fluxo de calor (ɸ) como sendo o quociente entre Q e Δt:

ϕ=QΔtϕ=QΔt

A unidade de fluxo de calor no SI é o watt (W), isto é, joule por segundo. No entanto, são muito usadas as unidades caloria por segundo (cal/s) e caloria por minuto (cal/min). A definição de fluxo de calor é válida qualquer que seja o processo de propagação de calor através da superfície. 

1. Condução

É a forma de transferência de calor onde a energia é transferida de partícula para partícula, através da agitação atômico-molecular. Logo, só é possível em meios materiais e tende a ser mais acentuada em sólidos, onde a interação entre as partículas é maior. 

Acredita-se que os elétrons livres tenham participação fundamental nesse processo, pois os metais são os materiais que mais eficientemente propagam a energia por condução, sendo denominados bons condutores ou simplesmente condutores térmicos. Existem materiais em que a condução ocorre de modo pouco intenso, sendo designados maus condutores térmicos ou isolantes térmicos. Estão nesse caso, por exemplo, os líquidos e os gases em geral, o isopor, a madeira, o feltro e a cortiça. Esses materiais têm larga aplicação prática, sempre que se almeja isolamento térmico. Assim, cabos de panela são de madeira ou plástico, geladeiras portáteis são de isopor, calorímetros são isolados com placas de cortiça, etc. 

Tomemos como exemplo uma barra sólida, cujo comprimento vale L e com seção transversal A, colocada entre dois sistemas com temperaturas constantes, mas diferentes em seus extremos. 

Considerando-se uma barra de comprimento L e seção reta A, observa-se que a temperatura varia ao longo da barra de uma extremidade a outra de modo contínuo. É fundamental que a barra seja isolada lateralmente. Neste caso, o fluxo de calor através da barra será dado pela Lei de Fourier:

ϕ=QΔt=kA⋅(T2−T1)Lϕ=QΔt=kA⋅(T2−T1)L

Onde:

T2 e T1 são as temperaturas das extremidades da barra. A constante de proporcionalidade k é característica de cada substância, sendo denominada coeficiente de condutibilidade térmica do material. A é a área da superficie de troca de calor e L comprimento entre o ponto que propaga calor de uma material para outro. 

2. Convecção

Figura 1: Processo convecção 

Fonte: http://educacao.globo.com/fisica/assunto/termica/propagacao-do-calor.html

É uma forma de transferência de calor que acontece somente em fluidos, isto é, nos líquidos, gases e vapores, uma vez que há movimentação das partículas diferentemente aquecidas no interior do meio, não podendo ocorrer nos sólidos. Sua causa é a mudança de densidade dos fluidos com a temperatura.  

Quando um fluido é aquecido por sua parte inferior, nesta região o mesmo se torna mais quente, menos denso, e o fluido sobe; a região superior do fluido, relativamente mais fria e mais densa, desce. Formam- se então as denominadas correntes de convecção (uma ascendente quente e outra descendente fria), que podem ser visualizadas ao se colocar um pó fino, como serragem, no interior do líquido.

A convecção apresenta uma série de aplicações e situações práticas: 

- o congelador, que é colocado no alto dos refrigeradores, pois o ar resfriado pelos mesmos desça e resfrie também a geladeira. Esse também é o motivo pelo qual devemos, se possível, instalar os aparelhos de ar condicionado na parte de cima dos cômodos; 

- a eliminação de gases pelas chaminés: gases, estando aquecidos, tendem a subir devido à baixa densidade. 

- a formação de brisas na praia. Decorrer do dia, o ar próximo à areia da praia se aquece  rapidamente mais que o ar próximo à superfície do mar, isto porque o calor da areia é menor que o calor específico da água. Desta forma, o ar aquecido do continente sobe e o ar mais frio do mar desloca-se para o continente, formando a brisa marítima. À noite, o ar sobre o oceano fica aquecido mais tempo do que o ar sobre o continente, e o processo se inverte. Ocorre então a brisa terrestre.

3. Radiação ou Irradiação 

Corpos de quaisquer temperaturas possuem a propriedade de emitir ondas eletromagnéticas ou radiação. Isso é se chama-se de irradiação térmica. As características dessa radiação dependem da temperatura que o corpo se encontra, verificando-se que quanto maior a temperatura maior a frequência e maior a intensidade de energia irradiada. 

As ondas eletromagnéticas podem se apresentar na forma de: luz visível, raios X, raios ultravioleta, raios infravermelhos etc. Dessas, as que apresentam efeitos térmicos mais acentuados para o corpo humano são os raios infravermelhos.  

Essa forma de transferência de calor difere das demais, pois as ondas eletromagnéticas conseguem se propagar no vácuo, não precisa de um meio material, o que não acontece na condução e na convecção. Logo, essa é a forma de transmissão de calor do Sol até a terra. 

Nos vídeo abaixo temos uma explicação sobre PROPAGAÇÃO DE CALOR e uma situação importante sobre tema:

Atividade 4 

Após ver vídeos acima faça a seguinte atividade responda as perguntas abaixo  copiando elas para seu caderno e depois mostre ao professor:

1. Usando as informações dos  vídeos diga se existe possibilidade de problemas de saúde para pessoas vivem próximas as torres de transmissão de sinal de celular? 

2. Quais ações você colocaria em prática para evitar problemas para pessoas que já moram próximas de torres de transmissão ?

Exercício de Aplicação

(ENEM) O resultado da conversão direta de energia solar é uma das várias formas de energia alternativa de que se dispõe. O aquecimento solar é obtido por uma placa escura coberta por vidro, pela qual passa um tubo contendo água.  A água circula, conforme mostra o esquema abaixo.

Fonte: Adaptado de PALZ, Wolfgang, “Energia solar e fontes alternativas”. Hemus, 1981.

                              

São feitas as seguintes afirmações quanto aos materiais utilizados no aquecedor solar:

I. o reservatório de água quente deve ser metálico para conduzir melhor o calor.

II. a cobertura de vidro tem como função reter melhor o calor, de forma semelhante ao que ocorre em uma estufa.

III. a placa utilizada é escura para absorver melhor a energia radiante do Sol, aquecendo a água com maior eficiência.

Dentre as afirmações acima, pode-se dizer que, apenas está(ão) correta(s):

Após dar sua resposta justifique porque uma ou mais alternativas estão erradas ( o que está errado na afirmação feita).

1ª Lei da Termodinâmica

Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica o princípio da conservação de energia aplicada à termodinâmica, o que torna possível prever o comportamento de um sistema gasoso ao sofrer uma transformação termodinâmica.

Analisando o princípio da conservação de energia ao contexto da termodinâmica:

Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas armazená-la ou transferi-la ao meio onde se encontra, como trabalho, ou ambas as situações simultaneamente, então, ao receber uma quantidade Qde calor, esta poderá realizar um trabalho  e aumentar a energia interna do sistema ΔU, ou seja, expressando matematicamente:

Sendo todas as unidades medidas em Joule (J).

Conhecendo esta lei, podemos observar seu comportamento para cada uma das grandezas apresentadas:

Calor	Trabalho	Energia Interna	Q//ΔU
Recebe	Realiza	Aumenta	>0
Cede	Recebe	Diminui	<0
não troca	não realiza e nem recebe	não varia	=0

Após leitura da teoria, assista o vídeo abaixo e depois responda as a "atividade 5".

Após leitura da teoria, assista o vídeo abaixo e depois responda as a "atividade 5".

Atividade 5 

Diga se é possível e como reverter processo sofrido pela garrafa (ficar amassada) sem abrir a garrafa?

EXERCÍCIO DE APLICAÇÃO

1) (UFLA-MG) As afirmativas abaixo referem-se ao 1º princípio da Termodinâmica. Assinale a seguir a alternativa correta.

I. Em uma transformação isotérmica o calor trocado entre o sistema e o meio corresponde ao trabalho mecânico envolvido.
II. Em uma transformação isovolumétrica, o calor envolvido corresponde à variação da energia interna.
III. Em uma transformação adiabática, o trabalho mecânico envolvido corresponde à variação da energia interna com sinal trocado.

a) Nenhuma das afirmativas é correta
b) Somente as afirmativas I e II são corretas
c) Somente as afirmativas I e III são corretas
d) Somente as afirmativas II e III são corretas
e) As afirmativas I, II e III são corretas

2) Um gás ideal sofre uma compressão isobárica sob a pressão de 4·103 N/m2 e o seu volume diminui 0,2 m3.

 Durante o processo, o gás perde 1,8·103 J de calor. A variação da energia interna do gás foi de:

a) 1,8·103 J   b) 1,0·103 J  c) -8,0·103 J  d) -1,0·103 J  e) -1,8·103 J

Bons Estudos !!!! 

SEMANA 3 AVISO ALTERAÇÃO DO VÍDEO

ALTERAÇÃO DO VÍDEO

Alunos de Física Intermediária

Na atividade da semana 3 que envolve um vídeo eu fiz uma alteração colocando outro vídeo no lugar do que havia postado. Peço por favor que os alunos caso já tenham feito a atividade assistam o vídeo novamente e refaçam as perguntas. O vídeo é pequeno e não causará confusão. O anterior é correlato ao assunto, mas não serve para responder as perguntas solicitadas. Aproveito para pedir que copiem para seus cadernos os exercícios resolvidos das semanas 1 e 2 presentes na apostila da disciplina e me procurem para receber visto da atividade. 

Grande abraço até quinta feira

Luiz Fernando

SEMANA 3 ROTEIRO PARA EXPERIMENTO DA NTI

Roteiro para Experimento 1 (NTI) Barco a Vapor

A seguir estão instruções para montagem e execução da atividade. Os grupos que executaram atividades podem ser compostos de 5 á 6 alunos. Peço que coloquem no final dessa postagem o nome dos grupos ou me enviem por e-mail para que possa ter controle dos alunos participantes.

EXPERIMENTO 1: BARQUINHO Á VAPOR

                             I.OBJETIVO DO EXPERIMENTO: Construir um barco á vapor com caldeira simples ( motor de centro) que se movimente para frente durante algum tempo.

    II.                II. MATERIAL UTILIZADO:

- 1 (um) caixa de suco de 1 litro

- 2 (dois) canudos de plásticos

- 1( uma)cola EPOXI

- 1 (uma) latinha de refrigerante

- 1 (uma) fita adesiva

- 1 ( uma) tampa de pote de ervilha ou milho

- 1 (uma) vela  pequena

     III. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

- A montagem sugerida está  descrita no vídeo de link a seguir:    https://www.youtube.com/watch?v=3RvQYypATCE

- Não é necessário seguir exatamente a mesma ordem para confecção do barco. Os procedimentos de montagem podem ser alterados. Anote seu passo-a-passo. Esta descrição será exigida no relatório do experimento.

- Tenha cuidado de utilizar no mínimo os materiais indicados e caso necessário acrescentar outros materiais.

- Antes de responder as perguntas sobre atividade estude a teoria de termodinâmica de cada semana.

IV. DISCUSSÃO DA ATIVIDADE

1. Recomenda-se filmar a montagem e utilização do barquinho após a montagem afim de mostrar ao professor que a tarefa foi executada e quem executou.

2. Tenha cuidado de todas as etapas sejam executadas com clareza, que no vídeo seja sinalizado que tudo ocorreu de forma correta. Caso ocorram problemas sinalize na execução quais foram os problemas encontrado.

3. Reparta a montagem, execução e filmagem do experimento entre os integrantes:

4. Após executar experimento responda as seguintes perguntas:

4.1 Porque os canudos precisam estar cheios de água para o funcionamento do barco? Explique o funcionamento da caldeira com base na 1 Lei da Termodinâmica.

4.2 Como eu posso medir a temperatura da caldeira nesse experimento?

4.3 Qual a relação da vela utilizada (tamanho, posição da chama) com o movimento executado.

4.4 Que tipo de melhoria você sugere executar no projeto após esta montagem? Qual ganho com esta melhoria?

V. AVALIAÇÃO DA ATIVIDADE

Após execução do experimento anote em um papel o nome dos integrantes do grupo que executou atividade e as repostas das perguntas do item 4. Leve até o professor na data indicada para receber o visto da execução da atividade. O visto só será concedido após apresentar a execução do experimento (através do vídeo ou exposição do experimento para o professor).

Bom trabalho e mãos a obra. 

           A inteligência é o que você usa quando não sabe o que fazer.
  
          Jean Piaget 

SEMANA 3 ATIVIDADE 3

TROCA DE CALOR

A troca de calor ocorre quando dois ou mais corpos tem valores de temperaturas diferentes e entram em contato isolado meio externo, depois de certo longo período de tempo, alcançam o equilíbrio térmico.

O sistema isolado é o que denominamos de calorímetro. Um sistema fechado que impossibilita a troca de calor do sistema com o meio.

As trocas de calor acontecem porque o calor é a energia em transito nos corpos, ocasionando a troca, fato que acontece até que haja o equilíbrio térmico entre ambos. Esse processo acontece porque os corpos tendem a buscar um equilíbrio energético por isso algum deles sempre cede e outro recebe calor.

A troca de energia entre os corpos se dá com mesmo módulo entre os dois corpos, ou seja, um cede "x" e outro recebe esse "x" porém apresenta sinais contrários, ou seja, o corpo que recebe calor é positivo e o corpo que cede (perde) calor é negativo.

A representação matemática para esse fato é:

QA = - QB

Ou:

QA + QB = 0

Onde:
QA = quantidade de calor recebida
-QB = quantidade de calor perdido

A seguir, observe a troca de calor que acontece com a água até chegar ao equilíbrio térmico, conhecido popularmente como água morna.

Transferência de calor entre corpos com temperaturas diferentes.

Corpos em Equilíbrio Térmico

Podemos definir, com esses exemplos, que quando ocorre a troca de calor entre os corpos, a soma da quantidade do calor trocado por ambos é zero, ou seja, é nula.

Agora que sabe como ocorre processo troca de calor assista o vídeo e fique atento para fazer atividade 3:

Atividade 3 

1) O vídeo anterior fala sobre sensação térmica e mostra uma forma de medir um de seus parâmetros. Esse parâmetro importante para sensação térmica é a chamada "umidade relativa do ar" com base no conteúdo estudado no vídeo diga porque em um ambiente muito úmido a sensação térmica é maior?

2) Em dias muitos quentes quais recomendações para se manter com sensação térmica mais baixa?

Exercícios de Aplicação

1) (ULBRA-RS) Dois corpos materiais, quando postos em contato, trocam calor entre si, até atingir o equilíbrio térmico. Quando isso acontece, eles passam a ter iguais:

 a) capacidades térmicas; b) massas; c) temperatura; d) calores específicos; e) quantidade de calor.

 2) (UEPG-PR) Dois corpos em equilíbrio térmico recebem quantidades iguais de calor e, em função disso, sofrem variações iguais na temperatura. A partir desses dados, podemos concluir que:
 a) os corpos têm massas iguais;
 b) os corpos têm a mesma capacidade térmica;
 c) os corpos têm o mesmo calor específico;
 d) os corpos têm a mesma densidade;
 e) os corpos têm densidades diferentes.

 3) (UEM-PR) Um corpo quente é colocado em contato com outro corpo frio e, até atingirem o equilíbrio térmico, suas temperaturas variam igualmente. Para que essa mudança ocorra, é necessário que ( some a numeração dos itens que são VERDADEIROS):

01- haja transferência de temperatura de um corpo para outro;
02- haja transferência de calor de um corpo para outro;
04- as massas dos corpos sejam iguais; 
08- os calores específicos  dos corpos sejam iguais; 
16- as capacidades térmicas dos corpos sejam iguais.

Calor Sensível X Calor de Transformação (Latente)

Calor sensível e calor latente são grandezas físicas que descrevem a quantidade de calor que se precisa adicionar ou remover de uma substância para que ela sofra alguma variação térmica. Veja a seguir suas definições.

Calor sensível é a quantidade de calor necessária para que uma unidade de massa de uma substância altere sua temperatura em 1 grau. Essa denominação só é dada para o caso em que o calor recebido apenas altera a temperatura do material, permanecendo este no mesmo estado de agregação.

Um exemplo desse tipo de situação é um pedaço de metal que se aquece quando é colocado próximo ao fogo, porém continua no estado sólido.

O calor sensível, também chamado por calor específico sensível, é representado pela letra c e depende do tipo de material e do seu estado de agregação. Por exemplo:

Para a água no estado líquido, temos: c = 1 cal/ g . ºC. Isso significa que é necessário fornecer 1 cal para que 1g de água aumente sua temperatura em 1º Celsius ou que é necessário retirar 1 cal para que a temperatura diminua em 1º Celsius.

Mas para a água em estado sólido, essa quantidade já é c = 0,5 cal/ g.ºC.

A equação utilizada para calcular o calor sensível de um material é:

Q = m . c . Δθ

Sendo:

Q — quantidade de calor;

m — massa da substância;

c — calor específico da substância;

Δθ — Variação de temperatura.

A definição de calor sensível está relacionada também com o conceito de Capacidade térmica, que corresponde à quantidade de calor que a massa total de um corpo precisa receber ou perder para que sua temperatura varie 1ºC.

A capacidade térmica (C) é dada por:

C = m . c

Sendo:

C – Capacidade térmica;

m – massa do objeto;

c – calor específico.

Já o calor de transformação ou latente, representado pela letra L, é a quantidade de calor que, ao ser fornecida ou retirada de um corpo, não altera sua temperatura, mas causa mudança em seu estado de agregação. Ele informa a quantidade de calor por unidade de massa que é necessário fornecer ou retirar de um objeto para mudar o seu estado de agregação.

Observamos esse fenômeno no derreter do gelo, em que é possível ver a água no estado sólido e líquido à mesma temperatura. O calor que está sendo fornecido para a substância é revertido totalmente para a mudança de fase, e não para o aumento da temperatura.

O calor latente é calculado com a expressão:

Q = m . L

Sendo que:

Q – Quantidade de calor;

m – Massa da substância;

L – Calor latente.

Se a substância recebe calor para alterar seu estado, que é o que ocorre na fusão e na vaporização, então o valor de L é positivo. Mas se a substância perde calor, L é negativo, sendo o que ocorre na solidificação e liquefação.

Exercícios de Aplicação sobre Trocas de Calor

1) (FIEB-SP) O copo interno de um calorímetro é feito de alumínio e tem massa de 30 g. Em seu interior, onde há 150 g de água pura à temperatura de 20 ºC, são despejados 200 g de bolinhas de aço que se encontram inicialmente à temperatura de 60 ºC. Sabendo que o calor específico do alumínio é 0,2 cal/g.ºC, o da água, 1 cal/g.ºC, e a temperatura de equilíbrio térmico do conjunto igual a 25 ºC, o calor específico do aço e a quantidade de calor trocada pelas bolinhas de aço com o sistema têm valores, respectivos e aproximadamente, iguais a

a) 0,11 cal/g.ºC e 770 cal, cedidas.

b) 0,11 cal/g.ºC e 770 cal, recebidas.

c) 0,55 cal/g.ºC e 890 cal, cedidas.

d) 0,55 cal/g.ºC e 890 cal, recebidas.

e) 0,88 cal/g.ºC e 780 cal, cedidas.

2) Em um calorímetro de capacidade térmica desprezível, foram misturados 200 g de água, inicialmente a 20 °C, e 400 g de ouro, inicialmente a 80°C. Sabendo que os calores específicos da água e do ouro são, respectivamente, 1 cal/g°C e 0,03 cal/g°C. Determine a temperatura final aproximada da mistura.

a) 24°C

b) 23°C

c) 38°C

d) 28°C

e) 36°C

BONS ESTUDOS!