MATÉRIA E ENERGIA

Uso de ondas eletromagnéticas no cotidiano

Leia o trecho de reportagem a seguir.

PESQUISAS de 6G das teles apontam para interação "física" com hologramas. O Estado de S. Paulo, São Paulo, 4 mar. 2022. Economia & Negócios, p. B15.

a ) Junte-se a um colega para debater quais são os principais desafios técnicos e éticos que as empresas e os governos podem enfrentar ao implementarem a rede 6G e como esses desafios podem ser abordados para garantir uma transição bem-sucedida.

Resposta pessoal. O objetivo da questão é que os estudantes percebam que qualquer avanço tecnológico deve ultrapassar os desafios da implementação para garantir o acesso da população. A partir disso, é possível que eles mencionem que a implementação do 6G exigirá novas infraestruturas de hardware, incluindo antenas, dispositivos mais avançados e também será necessário garantir a segurança e a privacidade dos usuários, a qual será um desafio crucial.

A necessidade de se comunicar a longas distâncias levou ao desenvolvimento da telecomunicação, área da Engenharia que se dedica a projetar, desenvolver e implementar sistemas de comunicação. Apesar de parecer um termo moderno, sua origem é muito antiga, pois sinais de fumaça e de luz foram usados por povos da Antiguidade para suprir a necessidade de comunicação a longa distância. No entanto, podemos considerar que o desenvolvimento tecnológico da telecomunicação teve início com os telégrafos no final do século XIX.

A comunicação por telégrafos dependia da instalação da infraestrutura de linhas telegráficas formadas por cabos que conectavam o emissor ao receptor. Por exemplo, o cabo submarino instalado em 1858 que conectou o continente europeu ao americano. Contudo, foi o próprio telégrafo um dos primeiros dispositivos a se comunicar sem a necessidade de fios.

O cientista italiano Guglielmo Marconi (1874-1937) desenvolveu o radiotelégrafo que usava ondas eletromagnéticas, mais especificamente ondas de rádio, para se comunicar. Esse feito rendeu a Marconi o prêmio Nobel de Física em 1909. Assim, iniciou-se uma série de avanços tecnológicos, como o desenvolvimento de telefones e televisores. A popularização desses dispositivos gerou muitos impactos sociais e econômicos, uma vez que a comunicação a distância poderia ser feita de maneira muito ágil, facilitando negociações e conferindo confiabilidade à troca de informações.

Para acompanhar todo esse desenvolvimento proporcionado pela telecomunicação, dispositivos elétricos e eletrônicos, como válvulas e transistores, foram criados e deram origem aos primeiros computadores, em meados da década de 1940. Os computadores consolidaram de vez a transição dos dispositivos de comunicação que necessitavam de cabos para dispositivos que não precisavam de fios, também chamados dispositivos wireless (sem fio, em inglês).

1. As ondas eletromagnéticas são responsáveis por manter o funcionamento de vários equipamentos eletrônicos. Entre eles, estão a televisão, o micro-ondas e o celular com suas inúmeras aplicações. Sobre as ondas eletromagnéticas, verifique quais afirmações são verdadeiras e justifique as falsas.

I ) São ondas formadas por um campo elétrico uniforme e um campo magnético variado.

II ) Em sua propagação, é feito o transporte de energia e não de matéria.

III ) São capazes de se propagarem no vácuo.

IV ) Toda onda eletromagnética se propaga com velocidade da luz abre parênteses c fecha parênteses$\left(c\right)$ em qualquer meio material.

Resposta: I) Falsa. São campos variáveis, tanto elétrico como magnético. II) Verdadeira. III) Verdadeira. IV) Falsa. A velocidade da luz equivalente a c$c$ ocorre apenas no vácuo.

2. O espectro eletromagnético abrange uma ampla gama de ondas, que vão de ondas de rádio de baixa frequência a raios gama de alta frequtempera- turaência. Cada parte do espectro tem suas próprias aplicações e características.

Explique como a radiação infravermelha é utilizada na tecnologia de visão noturna. Comente também as diferenças entre essa radiação e a radiação visível em termos de comprimento de onda e energia.

Resposta: A tecnologia de visão noturna, como as câmeras de imagem térmica, captura a radiação infravermelha que é emitida por todos os corpos quentes, permitindo a formação da imagem térmica com base na variação de temperatura. Além disso, a radiação infravermelha tem comprimentos de onda maiores do que a luz visível e tem menos energia.

3. Explique, de maneira simples, como é possível gerar uma onda eletromagnética de rádio.

Resposta: Pode-se fazer os elétrons oscilarem em um condutor, como uma haste metálica, com uma frequência correspondente à faixa de rádio.

4. No campo da Medicina, diferentes tipos de radiação são utilizados para diagnósticos e tratamentos. A ressonância magnética e a radiografia são dois exemplos que utilizam diferentes tipos de radiação.

Qual das seguintes afirmativas sobre a ressonância magnética e a radiografia é correta?

a ) A ressonância magnética utiliza radiação ionizante, enquanto a radiografia usa campos magnéticos.

b ) A radiografia utiliza radiação ionizante, enquanto a ressonância magnética usa campos magnéticos e ondas de rádio.

c ) A ressonância magnética e a radiografia utilizam radiação não ionizante.

d ) A radiografia e a ressonância magnética utilizam as mesmas técnicas de radiação.

Resposta: Alternativa b.

5. Entre os raios gama, que têm grandes frequências e pequenos comprimentos de onda, e as ondas de rádio, que têm pequenas frequências e grandes comprimentos de onda, qual deles se propaga com mais rapidez no vácuo? Justifique sua resposta.

Resposta: Ambos se propagam com a mesma rapidez, pois são ondas eletromagnéticas cuja velocidade de propagação não varia em função da frequência da onda.

6. Qual alternativa menciona a onda que não se propaga no vácuo?

a ) Raios X.

b ) Raio gama.

c ) Ultravioleta.

d ) Ultrassom.

e ) Ondas de rádio.

Resposta: Alternativa d.

7. De acordo com o espectro eletromagnético, verifique quais afirmações são verdadeiras e justifique as falsas.

I ) A frequência da luz amarela é maior do que a frequência da vermelha, assim o comprimento de onda da luz amarela é menor do que o da vermelha.

II ) O comprimento de onda de raios X é menor do que o de micro-onda, assim a frequência de raios X é maior do que a da micro-onda.

III ) A velocidade do infravermelho é maior do que a do ultravioleta, pois sua frequência é menor.

IV ) A radiação UV-A tem a mesma velocidade que a UV-B, porém o comprimento de onda é diferente.

Resposta: I) Verdadeira. II) Verdadeira. III) Falsa. No mesmo meio de propagação, as velocidades são todas iguais. IV) Verdadeira.

8. Por meio de uma antena, emissoras de rádio emitem ondas eletromagnéticas que se propagam na atmosfera com uma velocidade próxima à da luz, cerca de 3 vezes 10 elevado a 5 quilômetro por segundo$3\mathbf{·}{10}^5\text{ km/s}$. As grandezas que diferenciam uma estação de outra é a frequência emitida e, consequentemente, seu comprimento de onda. Supondo que uma rádio, operando na faixa AM, emita ondas eletromagnéticas com uma frequência de 1.200 quilo-hertz$1.200\text{ kHz}$, qual é o comprimento de onda em metros?

Resposta: 250 metros$250\text{ m}$. Resolução nas Orientações para o professor.

Espectroscópio

Por dentro do contexto

Atualmente, a radiação infravermelha é utilizada por diversas áreas do conhecimento, como na Medicina, por meio dos diagnósticos de doenças, ou na Medicina veterinária, com base no monitoramento ambiental e na Geologia. Na fotografia, a vaca da esquerda está com temperatura mais alta em relação à outra, indicando que a primeira está doente.

Esse tipo de radiação foi descoberto pelo astrônomo alemão William Herschel (1738-1822) ao analisar a decomposição da luz solar por um prisma.

Herschel verificou que, no espectro eletromagnético, a região de menor frequência que a da luz vermelha e fora do espectro visível produzia mais aquecimento quando comparada com as demais radiações inferiores a ela. Com base nisso, ele concluiu que havia raios luminosos invisíveis capazes de provocar aquecimento. Essa radiação foi posteriormente denominada de infravermelho.

a ) Por que você acha que o espectroscópio é um instrumento importante para o estudo das radiações?

Resposta: Os estudantes podem comentar que o espectroscópio permite dividir a luz em diferentes comprimentos de onda, revelando o espectro de radiação de uma fonte. Isso ajuda a identificar elementos químicos, pois cada um emite ou absorve luz em padrões específicos, ajudando no estudo da composição de objetos distantes e radiações invisíveis, como ultravioleta e infravermelho.

Como proceder

A. Recorte dois quadrados de papelão de modo que sejam um pouco maior do que o diâmetro do tubo do rolo de papel higiênico.

B. Faça uma fenda retangular de aproximadamente 2 milímetros vezes 15 milímetros$2\text{ mm}\times 15\text{ mm}$ no centro de um dos quadrados. No centro do segundo quadrado, faça um furo com 1 centímetro$1\text{ cm}$ de diâmetro.

Leia a seguir um trecho de texto sobre como a temperatura no interior de veículos pode se alterar quando exposto ao sol com os vidros fechados.

O texto anterior aborda como o efeito estufa ocorre no interior de um veículo com os vidros fechados e exposto à luz solar.

Em razão da interação da radiação infravermelha com as partes internas do veículo, a temperatura aumenta rapidamente, diminuindo, consequentemente, a umidade do ar e favorecendo a liberação de gases tóxicos por materiais do interior do veículo. Esse cenário pode ser potencialmente fatal para quem estiver dentro do veículo, especialmente crianças e idosos.

Segundo o Estatuto da Criança e do Adolescente (ECA), são garantidos às crianças a proteção integral e o direito de receber cuidados e socorro em quaisquer circunstâncias. Portanto, pais ou responsáveis devem atentar a esse perigo para não deixá-las no interior de veículos fechados e expostos à luz solar, mesmo sendo por pouco tempo. O mesmo cuidado é recomendado com os animais de estimação. Ainda que as janelas estejam levemente abertas, as altas temperaturas e a diminuição da umidade do ar se mantêm.

Atualmente, alguns veículos têm dispositivos de segurança como alarmes para evitar o esquecimento de pessoas e animais em seu interior.

a ) Qual é o tipo de radiação eletromagnética que mais aquece os automóveis com os vidros fechados?

Resposta: Embora todos os tipos de radiação possam depositar energia ao interagir com os materiais do carro, espera-se que os estudantes respondam que a radiação infravermelha seja responsável pelo aquecimento, uma vez que ela contribui mais para esse efeito.

b ) Por que os carros aquecem tanto com os vidros fechados?

Resposta: Porque o vidro permite a entrada de luz visível e da radiação infravermelha da luz solar, mas não deixa escapar a radiação infravermelha reemitida pelas partes internas do carro, o que eleva a temperatura nesse ambiente.

CONEXÕES com ... BIOLOGIA e QUÍMICA

Sustentabilidade e proteção contra a radiação solar

A exposição à luz solar tem diversos benefícios para o ser humano: ela atua na ativação da vitamina D, que auxilia na saúde dos ossos e na regulação do hormônio serotonina. Porém, a exposição excessiva e cumulativa, principalmente à radiação ultravioleta, pode causar queimaduras, envelhecimento precoce da pele ou até o desenvolvimento de câncer de pele. Em razão disso, sempre que for ficar exposto à luz solar por longos períodos, recomenda-se a utilização de protetor solar ou tecidos com fator de proteção solar.

Os protetores solares têm substâncias que podem refletir a radiação ultravioleta ou absorvê-la e transformá-la em outro tipo de radiação de menor energia, auxiliando na prevenção de problemas na pele. Uma dessas substâncias é a benzofenona-3 abre parênteses C subscrito 14 H subscrito 12 O subscrito 3 fecha parênteses$\left({\text{C}}_{14}{\text{H}}_{12}{\text{O}}_3\right)$, também conhecida como oxibenzona. Estudos indicam que essa substância pode prejudicar os corais por causar o seu branqueamento, que é quando os corais expulsam as algas que vivem em simbiose com eles.

A oxibenzona pode chegar ao ambiente aquático de forma direta, quando as pessoas entram na água do mar após aplicar protetor solar, ou de forma indireta, pela água que retorna aos rios e mares porque ela é uma substância que não é eliminada no tratamento da água.

Corais: podem ter tamanhos variáveis.

Além disso, pesquisas apontaram que pequenas concentrações de oxibenzona, na ordem entre mi g barra L$\text{μg}\text{/}\text{L}$ e miligrama barra L$\text{mg}\text{/}\text{L}$, juntamente com a incidência de luz, podem afetar negativamente os corais.

Por conta dos impactos nos ecossistemas marinhos, alguns países proibiram o uso de oxibenzona e outras substâncias em protetores solares. No Brasil, o uso da oxibenzona é permitido em concentrações de até 10%, e, para concentrações acima de 0,5%, a presença dessa substância deve ser indicada no rótulo.

Outras maneiras de evitar o branqueamento dos corais e a perda de diversidade marinha são a substituição das substâncias prejudiciais por outras que não apresentam efeitos negativos ao ambiente e a utilização de protetores solares que não têm substâncias como a oxibenzona. Para isso, são necessárias a pesquisa científica e a conscientização da população.

a ) O branqueamento é um problema que prejudica somente os corais? Converse com um colega sobre o assunto.

Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que não, pois os corais abrigam diversas espécies que os utilizam como fonte de alimento, como abrigo e proteção ou como local de reprodução. Dessa forma, o branqueamento dos corais representa risco não apenas a esses animais, mas também à diversidade marinha e até terrestre.

b ) As substâncias utilizadas nos protetores solares, como a oxibenzona, podem afetar negativamente outros seres vivos? Junte-se a um colega e realizem uma pesquisa sobre o assunto. Em seguida, compartilhem o resultado com a turma.

Resposta: O objetivo desta questão é incentivar os estudantes a buscar mais informações sobre o assunto abordado na seção. Eles podem citar que existem indícios de que a oxibenzona pode afetar peixes, outros animais marinhos e até o ser humano.

1. O professor de Física propôs aos estudantes que determinassem a cor de dois balões distintos. Os balões em questão estavam em uma sala escura, de modo que poderiam ser observados apenas usando uma fonte de luz para iluminá-los.

O professor iluminou-os com três tipos de fontes de luz: uma lanterna que emite apenas luz azul, outra que emite luz vermelha e uma terceira que emite apenas luz verde. Ao ser iluminado com luz azul, o primeiro balão pareceu preto, enquanto o segundo pareceu azul. Usando a luz vermelha, o primeiro aparentava ser preto, enquanto o segundo aparentava ser vermelho. Ao serem iluminados com a luz verde, ambos aparentavam ser verdes.

Um dos estudantes disse que o primeiro balão é verde, mas não determinou a cor do segundo balão, pois ele mudava de cor conforme o tipo de luz utilizado. Você concorda com a opinião dele? Explique sua resposta.

Resposta: O primeiro balão é verde, pois apresentou a cor verde quando iluminado por uma fonte de luz verde. O segundo balão é branco, pois apresentou as respectivas cores das fontes de luz pelas quais foi iluminado.

2. Um astrônomo está analisando dados dos espectros emitidos por duas estrelas desconhecidas. Ele observou que ambos apresentam linhas escuras nos mesmos comprimentos de onda. O que representam essas linhas escuras no espectro? Com base nessa observação, o que podemos afirmar sobre a composição química dessas duas estrelas?

Resposta: Representam a respectiva composição química, sendo as duas estrelas de mesma composição.

3. Em um laboratório foi encontrado um recipiente contendo um gás desconhecido. Descreva de modo simples um experimento que possibilite determinar qual(is) elemento(s) químico(s) compõe(m) esse gás.

Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes mencionem que a técnica de análise de composição do gás seja por meio da espectroscopia. Para isso, pode ser realizado um experimento que consiste na emissão de luz branca sobre o gás e podem ser analisadas as linhas de absorção, comparando o padrão de absorção de elementos conhecidos.

4. O olho humano detecta cores por meio de células fotossensíveis localizadas na retina, chamadas cones. Essas células respondem a diferentes comprimentos de onda de luz correspondentes às cores vermelha, verde e azul.

Considere três feixes de luz de mesma intensidade, sendo um da cor verde, outro da vermelha e outro da azul. Caso essas fontes iluminem simultaneamente determinada região, na intersecção dos três feixes terá cor branca. Se apagarmos o feixe verde, a intersecção da região iluminada pelos feixes azul e vermelho terá cor magenta.

Uma pessoa, montando a decoração de um quarto de sua casa, decide iluminar um objeto da cor azul quando iluminado por luz branca, incidindo nele luz magenta. Sendo a luz magenta a única fonte de luz, após ser iluminado, o objeto parecerá da cor:

a ) Azul.

b ) Preta.

c ) Vermelha.

d ) Verde.

e ) Magenta.

Resposta: Alternativa a.

5. A fotografia a seguir mostra a imagem capturada por uma câmera térmica, capaz de medir a temperatura de pessoas e de objetos, mesmo se eles estiverem em um local sem luz.

Explique o funcionamento desse tipo de câmera.

Resposta: Esse tipo de câmera é sensível à radiação infravermelha, a qual é utilizada para a formação da imagem.

6. O disco de Newton é um dispositivo que pode ser utilizado para demonstrar a composição da luz visível. Geralmente, ele é feito com faixas pintadas com as cores do arco-íris. Ao girar o disco com certa velocidade, vemos as cores se misturando. Quando todas as cores do disco de Newton se misturam, qual cor enxergamos? Justifique sua resposta e compare esse fenômeno com a decomposição da luz solar por um prisma.

Resposta da questão 6 nas Orientações para o professor.

Escalas de temperatura

Confira o termômetro apresentado.

A escala numérica em vermelho corresponde à unidade Fahrenheit, e a escala numérica em preto corresponde à unidade Celsius.

A escala Celsius é a mais utilizada atualmente no mundo e foi idealizada pelo astrônomo sueco Anders Celsius (1701-1744), em 1742, com base nos pontos de ebulição e fusão da água.

Já a escala Fahrenheit, utilizada em países como Estados Unidos e Inglaterra, foi proposta em 1724 pelo físico polonês Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) com base em métodos diferentes dos de Celsius.

Além das escalas mencionadas, em 1848, o físico irlandês William Thomson (1824-1907), conhecido como lorde Kelvin, propôs a sua escala, denominada escala absoluta. Em sua época, já se compreendia a temperatura como a energia cinética média das partículas. Portanto, Thomson propôs uma escala na qual a menor temperatura possível abre parênteses 0 Kelvin fecha parênteses$\left(0\text{ K}\right)$ equivale à situação na qual as partículas não teriam movimento algum (zero absoluto).

As três escalas de temperatura podem ser comparadas entre si. Observe a seguir.

Imagem elaborada com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 338.

Podemos encontrar uma equação de conversão entre as diferentes escalas por meio dos segmentos a$a$ e b$b$ mostrados na representação anterior. A razão a barra b$a\text{/}b$ independe da escala considerada, logo pode-se fazer:

a sobre b é igual a início de fração, numerador: T subscrito K menos 273, denominador: 373 menos 273, fim de fração é igual a início de fração, numerador: T subscrito C menos 0, denominador: 100 menos 0, fim de fração é igual a início de fração, numerador: T subscrito F menos 32, denominador: 212 menos 32, fim de fração implica em início de fração, numerador: T subscrito K menos 273, denominador: 100, fim de fração é igual a início de fração, numerador: T subscrito C, denominador: 100, fim de fração é igual a início de fração, numerador: T subscrito F menos 32, denominador: 180, fim de fração$\frac{a}{b}=\frac{T_{\text{K}}-273}{373-273}=\frac{T_{\text{C}}-0}{100-0}=\frac{T_{\text{F}}-32}{212-32}\Rightarrow \frac{T_{\text{K}}-273}{100}=\frac{T_{\text{C}}}{100}=\frac{T_{\text{F}}-32}{180}$

Simplificando os denominadores por 20, tem-se:

início de fração, numerador: T subscrito K menos 273, denominador: 5, fim de fração é igual a início de fração, numerador: T subscrito C, denominador: 5, fim de fração é igual a início de fração, numerador: T subscrito F menos 32, denominador: 9, fim de fração$\frac{T_{\text{K}}-273}{5}=\frac{T_{\text{C}}}{5}=\frac{T_{\text{F}}-32}{9}$

Essa relação de igualdade é válida para qualquer comparação entre escalas de temperatura.

a ) Um termômetro mede a própria temperatura. Essa afirmação está correta? Explique sua resposta.

Resposta: A afirmação está correta, pois o termômetro deve entrar em equilíbrio térmico com o objeto de que se quer saber a temperatura, portanto o termômetro mostrará a temperatura que ele próprio atinge no equilíbrio.

b ) O que é maior em relação ao grau de agitação das partículas: o aumento de temperatura de 1 grau Celsius$1°\text{C}$ ou o aumento de temperatura de 1 grau Fahrenheit$1°\text{F}$? Explique sua resposta.

Resposta: O aumento de 1 grau Celsius$1°\text{C}$ é maior, pois, para obter o mesmo efeito no grau de agitação das partículas, a variação na escala Fahrenheit deveria ser 1 vírgula 8 graus Fahrenheit$\mathrm{1,8}°\text{F}$.

Sensações do calor

É possível perceber as trocas de calor por meio da sensação quente ou frio.

Como proceder

A. Adicione a água gelada e o gelo em um dos recipientes. No segundo recipiente, coloque a água morna. No terceiro, insira a água à temperatura ambiente.

B. Posicione os recipientes de maneira que a água à temperatura ambiente fique no centro, entre os outros dois.

C. Mergulhe por 1 minuto uma das mãos na água fria e a outra na água morna. Depois, rapidamente, mergulhe ambas as mãos na água à temperatura ambiente.

Análise

1. O que você sentiu ao mergulhar as mãos no recipiente com água à temperatura ambiente?

Resposta: Espera-se que os estudantes relatem que tiveram sensação de frio na mão que estava na água aquecida e sensação de quente na mão que estava na água que estava a menor temperatura.

2. Por que você teve essa percepção?

Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes percebam que a mão que estava na água morna parece ter ficado fria na água à temperatura ambiente; já a mão que estava na água fria parece ter ficado morna, pois há um fluxo de valor que ocorre de forma espontânea entre corpos de maior temperatura para corpos com menor temperatura.

1. As afirmativas a seguir referem-se a dois objetos que têm temperaturas diferentes, colocados em contato um com o outro. Escreva as afirmativas corretas e justifique as incorretas.

I ) Não haverá troca de calor e os dois objetos continuarão como estavam inicialmente.

II ) Haverá troca de energia térmica na forma de calor do corpo de menor temperatura para o corpo de maior temperatura.

III ) Haverá troca de energia térmica na forma de calor do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura.

IV ) Haverá troca de energia térmica na forma de calor até que a temperatura dos dois objetos se iguale.

Resposta: I) Incorreta. Por meio da diferença de temperatura entre os corpos ocorre o fluxo de energia na forma de calor de maneira espontânea; II) Incorreta. O fluxo resultante das trocas de calor se dá pelo corpo de maior temperatura para o de menor temperatura; III) Correta; IV) Correta.

2. Por que, para aferir a temperatura, deve-se deixar o termômetro em contato com o corpo durante certo intervalo de tempo?

Resposta nas Orientações para o professor.

3. Ao tomar banho, uma pessoa ajusta a tempera- tura da água do chuveiro para 40 graus Celsius$40\text{ °C}$, já que nesse dia a temperatura ambiente é 10 graus Celsius$10\text{ °C}$. Leia as afirmações a seguir.

I ) Ao sair do banho, a pessoa tem a sensação de ambiente frio, pois há um fluxo de calor do ambiente para o seu corpo, o que dá a sensação de frio.

II ) Ao sair do banho, a pessoa tem a sensação de ambiente frio, pois há um fluxo de calor do seu corpo para o ambiente, o que dá a sensação de frio.

III ) Ao sair do banho, a pessoa tem a sensação de ambiente quente, pois a água do banho fica na sua pele, sem evaporar.

IV ) A sensação da pessoa no banho era de um ambiente quente em razão da temperatura da água.

Qual(is) afirmativa(s) está(ão) correta(s)?

a ) I.

b ) II e III.

c ) II e IV.

d ) IV.

e ) II, III e IV.

Resposta: Alternativa c.

Resposta: I) Incorreta. O fluxo de calor ocorre do corpo da pessoa para o ambiente que está com menor temperatura. II) Correta. III) Incorreta. A água tende a evaporar por causa do calor da pessoa, o que a fará ter sensação de ambiente frio. IV) Correta.

4. Analise as afirmações a seguir, justificando as falsas.

I ) Os combustíveis fósseis contribuem para o aumento do efeito estufa, pois entre os subprodutos de sua combustão estão gases como o dióxido de carbono.

II ) Os combustíveis fósseis são fontes inesgotáveis de energia.

III ) A utilização dos combustíveis fósseis como fonte de energia se justifica pelo fato de sua combustão fornecer enorme quantidade de energia, não implicando danos ao meio ambiente.

IV ) A queima dos combustíveis fósseis libera grande quantidade de energia na forma de calor.

Resposta: I) Verdadeira; II) Falsa. Eles são fontes limitadas de energia; III) Falsa. De sua extração à sua combustão final, os combustíveis fósseis implicam em danos ambientais; IV) Verdadeira.

5. Preparando-se para uma viagem, uma pessoa constatou que, em média, a temperatura do local para onde viajaria era 35 vírgula 6 graus Fahrenheit$\mathrm{35,6}°\text{F.}$ Essa pessoa deverá levar roupas leves ou casacos grossos? Por quê?

Resposta: Casacos grossos, pois a referida temperatura corresponde a 2 graus Celsius$2°\text{C}$.

6. Um cientista mediu 313 Kelvin$313\text{ K}$ para uma amostra experimental. A quantos graus essa temperatura equivale na escala Celsius?

Resposta: T subscrito C é igual a 40 graus Celsius$T_{\text{C}}=40°\text{C}$. Resolução nas Orientações para o professor.

7. Na transmissão de um jogo de futebol americano pela televisão, a repórter anunciou que a temperatura local era 59 graus Fahrenheit$59°\text{F.}$ A quantos graus Celsius equivale esse valor?

Resposta: T subscrito C é igual a 15 graus Celsius$T_{\text{C}}=15°\text{C}$. Resolução nas Orientações para o professor.

8. Por que a escala kelvin é chamada de escala de temperatura absoluta?

Resposta nas Orientações para o professor.

9. Avalie as afirmativas a seguir, sobre situações que envolvem os conceitos de temperatura e calor no cotidiano e assinale a(s) alternativa(s) correta(s).

Resolução nas Orientações ao professor.

01 ) Uma panela com água quente irá manter sua temperatura constante, se a temperatura ambiente for menor que a da água na panela, pois, o ar frio é mais denso e dificulta a troca de calor.

02 ) Do ponto de vista científico não é correto dizer "hoje está calor demais" em um dia no qual a temperatura está 36 graus Celsius$36°\text{C}$.

04 ) Ao colocarmos gelo em um copo com refrigerante quente, não é o gelo que esfria o refrigerante, mas o refrigerante que aquece o gelo até que o sistema entre em equilíbrio térmico.

08 ) Um estudante desenvolveu uma escala termométrica na qual o ponto de ebulição da água é 80 graus X$80°\text{X}$ e o ponto de fusão é menos 20 graus X$-20°\text{X}$. Assim, a temperatura de menos 130 graus Fahrenheit$-130°\text{F}$ equivale à menos 120 graus X$-120°\text{X}$.

16 ) Quando um corpo absorve calor sem mudar de fase, ocorre um aumento na energia cinética média de translação das partículas do corpo.

Resposta: Soma: 02 mais 0 4 mais 16 é igual a 22$02+04+16=22$.

1. Um cozinheiro, ao preparar alimentos, deixa por alguns minutos uma colher feita de metal dentro de uma panela em alta temperatura. Parte da colher está dentro da panela e parte está fora, mas minutos depois nota-se que toda a colher esquentou e ele não consegue manuseá-la.

Com base na situação descrita, analise as afirmativas a seguir.

I ) A colher esquentou por causa da convecção do ar ao seu redor.

II ) Toda a colher esquentou por causa da condução.

III ) Nesse caso, seria melhor que a colher fosse feita de madeira.

Está(ão) correta(s) a(s) afirmativa(s):

a ) I.

b ) I e II.

c ) I e III.

d ) II e III.

e ) I, II e III.

Resposta: Alternativa d. Comentários nas Orientações para o professor.

2. Por que os alimentos contidos em um recipiente de vidro mantêm a temperatura por mais tempo do que em um recipiente de alumínio?

a ) Porque o recipiente de vidro isola totalmente o alimento dentro dele.

b ) Porque a condutividade térmica do alumínio é baixa e a do vidro é alta.

c ) Porque a condutividade térmica do alumínio é alta e a do vidro é baixa.

d ) Porque a densidade do alumínio é baixa.

e ) Porque a densidade do alumínio é alta.

Resposta: Alternativa c.

3. Um equipamento muito usado em salões de beleza é a prancha para cabelo, popularmente conhecida como chapinha. A parte interna do equipamento que entra em contato com o cabelo é feita de metal, enquanto a parte externa é feita de plástico. Qual é a propriedade do plástico que justifica seu uso na parte externa do equipamento? Explique sua resposta.

Resposta: O plástico é usado na parte externa para que o calor da parte de metal não seja transferido para as mãos, pois o plástico tem baixa condutividade térmica.

4. Um soldador está fazendo uma solda em uma das extremidades de um longo cano de metal. Na outra extremidade do cano, um ajudante aproxima-se, sem nenhuma proteção, para ajudar a segurar o cano. Nesse momento, o soldador avisa para que ele não toque no cano, mesmo que na outra extremidade.

Com base na situação mencionada anteriormente, analise as afirmativas a seguir julgando-as como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas.

I ) O soldador advertiu o ajudante porque o cano aqueceu por inteiro em razão da irradiação do calor.

II ) O cano se aqueceu por inteiro por causa da condução do calor.

III ) O cano, feito de metal, não se aquece por inteiro, pois é constituído de um material isolante térmico.

IV ) Não havia motivo para o soldador dar esse aviso.

Resposta: I) Falsa. O cano esquentou por inteiro por causa da condução térmica; II) Verdadeira; III) Falsa. O metal é um bom condutor de calor; IV) Falsa. Sem a proteção, o ajudante poderia se acidentar, como queimar as mãos.

5. Um arquiteto está projetando uma casa para um cliente que mora em uma região muito fria. Ele está na fase da escolha dos materiais da janela. Para que seu cliente se sinta termicamente confortável dentro da casa nos dias de extremo frio, quais das opções de vidro a seguir, de A a F, ele deve escolher para fabricar as janelas? Explique sua resposta.

Resposta: De acordo com a lei de Fourier, o fluxo de calor é inversamente proporcional à espessura, desse modo, para que o ambiente interno não troque calor com o externo, o vidro deve ser o mais espesso possível, portanto, a melhor escolha seria o vidro F.

6. Uma quantidade de mercúrio abre parênteses H g fecha parênteses$\left(\text{Hg}\right)$ recebe 99 calorias$99\text{ cal}$ em forma de calor durante 41 vírgula 45 segundos$\mathrm{41,45}\text{ s}$. Calcule qual é o fluxo de calor ao qual essa quantidade de mercúrio está submetida. Para isso, considere 1 caloria é igual a 4 vírgula 2 joules$1\text{ cal}=\mathrm{4,2}\text{ J}$.

Resposta: fi é igual a 10 joules por segundo$\text{ϕ}=10\text{ J/s}$. Resolução nas Orientações para o professor.

Processo de troca de calor

Por dentro do contexto

No cotidiano, os processos de transmissão de calor desempenham papel fundamental, especialmente o de condução. Esse fenômeno é mais evidente em bons condutores de calor, como os metais. Por exemplo, ao segurar uma colher de metal dentro de uma panela quente, o calor da panela é transferido pela colher até nossas mãos. Da mesma forma, caminhar descalço em um chão frio demonstra como o calor do corpo é rapidamente transferido para o piso. A fim de diminuir o efeito da condução, são utilizados materiais classificados como isolantes, por exemplo, ao retirar com luvas térmicas algo quente do interior de um forno de cozinha.

a ) Em sua opinião, como poderíamos observar a propagação de calor em um objeto sólido?

Resposta pessoal. O objetivo da questão é fazer os estudantes levantarem hipóteses que podem ser testadas durante a realização da atividade. Eles podem citar que poderíamos utilizar termômetros colocados em diferentes partes do objeto ou utilizar substâncias que evidenciem o aquecimento do objeto, como parafina.

Como proceder

A. Com cuidado, acenda a vela e, utilizando a parafina, fixe três parafusos no fio condutor, deixando 3 centímetros$3\text{ cm}$ das extremidades livres e distribuindo os parafusos em distâncias iguais, conforme mostra a imagem.

Cuidado

Utilize a luva térmica para auxiliar na fixação dos parafusos com a parafina. Para isso, peça a ajuda de um adulto.

B. Após a parafina que segura os parafusos esfriar, aproxime uma das extremidades do fio condutor da chama da vela, utilizando a luva térmica para segurar a extremidade oposta e aguarde por um tempo. Observe o que acontece e faça anotações no caderno.

Análise e divulgação

1. Como a temperatura da extremidade do fio condutor afeta o tempo necessário para que a parafina derreta?

2. Quais fatores podem influenciar a eficiência da condução térmica no fio utilizado?

3. Como a quantidade de parafina utilizada afeta a duração do experimento?

4. De que maneira a posição dos parafusos ao longo do fio condutor influencia a velocidade de queda deles?

Respostas das questões 1 a 4 nas Orientações para o professor.

5. Agora, faça um cartaz expondo as conclusões a que você chegou sobre os processos de transmissão de calor, em especial o processo de condução. Insira informações referentes a situações do cotidiano, citando ocasiões em que a condução de calor é desejada e ocasiões em que a condução não é desejada. Por fim, apresente seu cartaz à turma.

Resposta: Espera-se que os estudantes citem exemplos de situações em que a condução desejada inclui o uso de panelas de metal, que se aquecem rapidamente no fogão, e ferros de passar roupa, que utilizam a condução para alisar tecidos. Por outro lado, a condução não desejada pode ser observada em utensílios de cozinha com cabos de metal, que podem aquecer e, se tocados, provocar queimaduras, e em janelas ou paredes mal-isoladas, que provocam a perda de calor em dias de temperaturas baixas.

Biocombustíveis

Leia o trecho de notícia a seguir.

BOUÇAS, Cibelle. Demanda por biodiesel exigirá R$ 52,5 bi em aportes da indústria de soja no Brasil. União Nacional da Bioenergia, 10 maio 2024. Disponível em: https://s.livro.pro/uhg4ow. Acesso em: 26 set. 2024.

O biodiesel é um combustível biodegradável derivado de fontes renováveis, como óleos vegetais e gorduras animais. Ele é menos poluente do que os combustíveis fósseis, podendo substituir total ou parcialmente o diesel derivado do petróleo.

A mistura entre os dois combustíveis é classificada de acordo com a porcentagem de biodiesel adicionado. Por exemplo, uma mistura com 7% de biodiesel e 93% de diesel fóssil é chamada B7; já o biodiesel puro é denominado B100, que é obrigatoriamente adicionado ao diesel fóssil em proporções que variam conforme a legislação em vigor. Essa adição ajuda a reduzir as emissões de gases poluentes.

No Brasil, o biodiesel é produzido principalmente com óleo de soja, mas também pode ser produzido com mamona, girassol, amendoim, dendê, babaçu e algodão. Segundo a Companhia Nacional de Abastecimento (Conab), o país produziu aproximadamente 152,1 milhões de toneladas de soja em 2023 e, de acordo com a Associação Brasileira das Indústrias de Óleos Vegetais (Abiove), no mesmo ano, o óleo de soja representou 69% da matéria-prima utilizada na produção de biodiesel.

De acordo com estudos, o uso do biodiesel reduz até aproximadamente 78% das emissões de dióxido de carbono em relação ao uso do diesel. Isso ocorre porque, durante seu desenvolvimento, as plantas oleaginosas cultivadas capturam e consomem o CO subscrito 2${\text{CO}}_2$ emitido pela queima desse combustível, reduzindo o acúmulo desse gás na atmosfera. Assim, o uso da biomassa orgânica não altera o ciclo do carbono, como é verificado com o uso de combustíveis fósseis.

No entanto, o custo de produção do biodiesel é mais elevado do que o do diesel fóssil, além de aumentar a demanda pelo cultivo de soja, que é utilizada como alimento. Outra desvantagem do uso do biodiesel puro é o aumento da emissão de óxidos de nitrogênio na atmosfera. No entanto, essa emissão pode ser reduzida com o uso de aditivos ou ajustes nos motores. Confira no esquema como o biodiesel é produzido.

1. Por que os fios de transmissão de energia elétrica não são instalados totalmente esticados entre os postes? O que aconteceria com esses fios se, por um erro na instalação, eles fossem instalados de forma esticada?

Resposta: Porque no inverno eles podem se contrair. Se fossem instalados de forma esticada eles poderiam se romper devido à contração térmica.

2. Explique o que ocorre com um volume de água ao ser resfriada de 4 graus Celsius$\text{4 }°\text{C}$ a 0 grau Celsius$\text{0 }°\text{C}$. Qual é a relação desse fenômeno com o que ocorre ao se esquecer no freezer uma garrafa de vidro cheia de água, a ponto de estourar? Converse com seus colegas.

Resposta: Nesse intervalo de temperatura, o volume da água aumenta conforme a temperatura é diminuída. Esse efeito explica por que uma garrafa de vidro estoura, pois o volume do vidro diminui enquanto o da água aumenta.

3. Cada trilho de ferro abre parênteses Fe fecha parênteses$\left(\text{Fe}\right)$ de uma linha férrea tem 24 metros$24\text{ m}$ de comprimento à temperatura de 2 graus Celsius$2°\text{C}$. Considerando que a dilatação ocorre em apenas uma direção e sabendo que a máxima temperatura na região é 42 graus Celsius$42°\text{C}$, qual deve ser a menor distância entre dois trilhos consecutivos? abre parênteses alfa subscrito F e é igual a 11 vezes 10 elevado a menos 6 grau Celsius elevado a menos 1 fecha parênteses$\left({\text{α}}_{\text{Fe}}=11\mathbf{·}{10}^{-6}{°\text{C}}^{\mathrm{–}1}\right)$

Resolução nas Orientações para o professor.

Resposta: delta 'L' é igual a 1 vírgula 0 560 vezes 10 elevado a menos 2 metro$\text{Δ}L=\mathrm{1,0560}\mathbf{·}{10}^{-2}\text{ m}$.

4. Uma chapa de aço tem lados que medem 20 centímetros$20\text{ cm}$ quando a temperatura é 0 grau Celsius$0°\text{C}$. Qual será a área da chapa quando sua temperatura for elevada até 200 graus Celsius$200°\text{C}$? abre parênteses alfa é igual a 11 vezes 10 elevado a menos 6 grau Celsius elevado a menos 1 fecha parênteses$(\text{α}=11\mathbf{·}{10}^{-6}{°\text{C}}^{\mathrm{–}1})$

Resolução nas Orientações para o professor.

Resposta: A é igual a 401 vírgula 76 centímetros quadrados$\text{A}=\mathrm{401,76}{\text{cm}}^2$.

5. No processo de recuperação da saúde bucal, utiliza-se a obturação. Trata-se da retirada e limpeza da região do dente afetada por uma cárie. Por fim, a cavidade é preenchida com resina, cujo resultado final está mostrado na fotografia.

Com relação ao coeficiente de dilatação da resina, comparado ao coeficiente de dilatação do dente, explique se ela deve ser maior, menor ou igual. Qual seria a consequência se fosse utilizada uma resina com o coeficiente inadequado? Explique sua resposta.

Resposta: O coeficiente de dilatação da resina deve ser igual ao do dente. Se fosse maior ou menor, quando houvesse variação na temperatura, a resina causaria lesões no dente, pois as diferentes taxas de dilatação pressionariam a estrutura do dente, causando-lhe fissuras.

6. Qual é a capacidade térmica de uma substância de massa igual a 500 gramas$500\text{ g}$, cuja temperatura varia de 10 graus Celsius$10°\text{C}$ para 80 graus Celsius$\text{80 }°\text{C}$ ao receber uma quantidade de calor de 5.000 calorias$5.000\text{ cal}$? Qual é o calor específico da substância?

Resolução nas Orientações para o professor.

Resposta: 'C' é igual a 71 vírgula 4 calorias por grau Celsius$C=\mathrm{71,4}\text{ cal/°C}$, aproximadamente; c é igual a 0 vírgula 14 caloria barra gramas vezes grau Celsius$c=\mathrm{0,14}\text{ cal/g}\mathbf{·}°\text{C}$, aproximadamente.

7. No litoral, durante o dia, o sentido do vento ocorre do mar para a areia e, durante a noite, o vento inverte seu sentido, da areia para o mar. Isso acontece porque a temperatura da areia aumenta e diminui rapidamente. Com base nisso, julgue cada afirmação a seguir como verdadeira ou falsa, justificando as falsas.

I ) A temperatura da areia diminui mais rápido que a do mar, pois seu calor específico é maior e sua capacidade térmica é menor.

II ) A temperatura da areia aumenta mais rápido que a do mar, pois seu calor específico e sua capacidade térmica são maiores.

III ) A temperatura do mar diminui mais rápido, pois tem menor calor específico e mais capacidade térmica do que a da areia.

IV ) A temperatura da areia aumenta mais rápido, pois seu calor específico é menor e sua capacidade térmica é maior do que a da água.

Resposta: I) Falsa; O calor específico é menor; II) Falsa. Tanto o calor específico como a capacidade térmica é menor; III) A temperatura do mar diminui mais lentamente; IV) Falsa. A capacidade térmica é menor.

8. Ao fazerem uma vistoria em um avião, os mecânicos responsáveis concluíram que a aeronave precisaria de um contrapeso para realizar a próxima viagem. Para construir esse contrapeso, os mecânicos resolveram usinar um bloco maciço de 2.000 centímetros cúbicos$2.000{\text{cm}}^3$ feito com alumínio. Como durante o voo pode haver uma variação de até 60 graus Celsius$60°\text{C}$, os mecânicos precisam calcular a variação volumétrica desse bloco para saber exatamente o que poderá ser colocado ao lado dele.

Qual é a variação volumétrica desse bloco, nessas condições? Considere o coeficiente de dilatação linear do A l$\text{A}\mathcal{l}$ como alfa é igual a 23 vezes 10 elevado a menos 6 grau Celsius elevado a menos 1$\text{α}=23\mathbf{·}{10}^{-6}{\text{°C}}^{-1}$.

Resolução nas Orientações para o professor.

Resposta: delta V é igual a 8 vírgula 28 centímetros cúbicos$\text{Δ}V=\mathrm{8,28}{\text{cm}}^3$.

R1. Um grupo de amigos resolveu passear em um balão de ar quente. Após o operador aquecer o ar no interior do balão e soltar as amarras que o prendiam ao solo, ele começou a flutuar e subir. Um dos amigos a bordo questionou o seguinte: qual é o fenômeno físico que explica o funcionamento do balão? O que o operador deve fazer para que o balão retorne ao solo?

Resolução

A temperatura de um corpo está relacionada ao nível de agitação das moléculas que o compõem. Assim, quando a temperatura do gás no interior do balão aumenta, as moléculas desse material adquirem maior energia cinética. Conforme o gás é aquecido, as moléculas se chocam cada vez com mais energia contra as paredes do balão, fazendo o volume dele aumentar. Isso provoca a diminuição da densidade nessa região, fazendo o balão flutuar, uma vez que a densidade do ar no exterior é maior. Para o balão retornar ao solo, basta diminuir a temperatura do gás em seu interior, aumentando assim sua densidade.

R2. Uma pizzaria se preocupa com a qualidade dos produtos e com a satisfação do consumidor. Para isso, estabelece que nenhuma pizza deve ser entregue ao cliente com temperatura inferior a
37 graus Celsius$37°\text{C}$.

O entregador desse estabelecimento colocou duas pizzas na caixa térmica e esperou o sistema atingir o equilíbrio térmico. Em seguida, ele verificou que a temperatura delas no interior da caixa térmica era de 47 graus Celsius$47°\text{C}$. Chegando ao primeiro endereço, em 7 minutos, mediu novamente a temperatura.

a ) Supondo que a caixa seja um sistema termodinâmico isolado, qual foi a temperatura medida no momento da entrega?

b ) Após entregar a primeira pizza, o entregador constatou um problema que impedia de vedar completamente a caixa. Então, concluiu que a segunda entrega deveria ser efetuada rapidamente, antes que a temperatura da pizza ultrapassasse o valor mínimo estabelecido pela empresa. Supondo que o valor da temperatura da segunda pizza na caixa térmica diminua a uma taxa constante de 1 vírgula 1 grau Celsius por minuto$\mathrm{1,1}°\text{C/min}$, quanto tempo haveria para entregá-la conforme as normas da empresa?

c ) Sabendo que após a primeira entrega se passaram mais 8 minutos para entregar a segunda, qual é a temperatura da pizza no momento dessa entrega?

Resolução:

a ) Considerando a caixa térmica como um sistema isolado, a temperatura no seu interior é constante, pois não há troca de calor com o ambiente. Assim, a temperatura é 47 graus Celsius$47°\text{C}$.

b ) Considerando a taxa de diminuição da temperatura constante, tem-se uma função de primeiro grau, do tipo T maiúsculo abre parênteses 't' minúsculo fecha parênteses é igual a T maiúsculo subscrito 0 menos 1 vírgula 1 vezes 't'$T\left(t\right)=T_0-\mathrm{1,1}\mathbf{·}t$, em que T maiúsculo abre parênteses 't' minúsculo fecha parênteses$T\left(t\right)$ é a temperatura em função do tempo, T subscrito 0$T_0$ é a temperatura inicial e t$\text{t}$ é o tempo. Assim, para que a entrega seja realizada na temperatura adequada, tem-se:

T maiúsculo abre parênteses 't' minúsculo fecha parênteses é igual a T maiúsculo subscrito 0 menos 1 vírgula 1 vezes 't' minúsculo implica em 37 é igual a 47 menos 1 vírgula 1 vezes 't' minúsculo implica em 't' minúsculo é igual a início de fração, numerador: 37 menos 47, denominador: abre parênteses menos 1 vírgula 1 fecha parênteses, fim de fração é igual a início de fração, numerador: 10, denominador: 1 vírgula 1, fim de fração portanto 't' é aproximadamente igual a 9 minutos$T\left(t\right)=T_0-\mathrm{1,1}\mathbf{·}t\Rightarrow 37=47-\mathrm{1,1}\mathbf{·}t\Rightarrow t=\frac{37-47}{\left(-\mathrm{1,1}\right)}=\frac{10}{\mathrm{1,1}}\mathbf{\therefore }t\simeq 9\text{ min}$

c ) Utilizando a lei da função definida no item anterior, após 8 minutos, tem-se:

T maiúsculo abre parênteses 't' minúsculo fecha parênteses é igual a T maiúsculo subscrito 0 menos 1 vírgula 1 vezes 't' minúsculo implica em T maiúsculo abre parênteses 8 fecha parênteses é igual a 47 menos 1 vírgula 1 vezes 8 implica em T maiúsculo abre parênteses 8 fecha parênteses é igual a 47 menos 8 vírgula 8 portanto T maiúsculo abre parênteses 8 fecha parênteses é igual a 38 vírgula 2 graus Celsius$T\left(t\right)=T_0-\mathrm{1,1}\mathbf{·}t\Rightarrow T\left(8\right)=47-\mathrm{1,1}\mathbf{·}8\Rightarrow T\left(8\right)=47-\mathrm{8,8}\mathbf{\therefore }T\left(8\right)=\text{38,2 }°\text{C}$

R3. Uma determinada marca de automóveis deseja melhorar o desempenho de seus veículos para que consumam menos combustível. Para isso, ela desenvolveu um motor modelo B para substituir o antigo modelo A nos novos veículos que serão produzidos. Ambos são de 1.000 cilindradas (1.0). Para que fossem comparados, eles foram submetidos a uma série de testes. Os resultados obtidos foram resumidos da seguinte maneira:

I ) Não foi observada nenhuma diferença de potência entre os modelos.

II ) O modelo B apresentou um ruído médio cerca de 20% menor que o modelo A.

III ) A temperatura média do modelo A foi cerca de 10% maior que a do modelo B após o mesmo período ligado.

a ) Considerando o motor do automóvel como um sistema termodinâmico, em qual classe de sistema ele se encaixa? Por quê?

b ) Analisando as três características dos modelos A e B, qual deles consumirá menos combustível?

Resolução:

a ) O motor do automóvel é um sistema termodinâmico aberto, pois o combustível (matéria) é inserido no interior da câmara de combustão pela válvula de admissão e expele os gases após a combustão pela válvula de escape. Ele também é um sistema dissipativo, pois apenas uma fração da energia armazenada no combustível é aproveitada para fazê-lo se mover.

b ) O modelo B consome menos combustível, pois dissipa menos energia na forma de calor e ruído, fornecendo a mesma potência que o modelo A fornece.

R4. Leia o texto a seguir sobre como os iglus protegem os inuítes contra o frio. Depois, responda às questões.

Os iglus são construídos com blocos de gelo e cobertos com uma camada de neve e esses materiais são isolantes térmicos, pois aprisionam ar em seu interior.

Além disso, eles são construídos em dois patamares, levando-se em conta a diferença de densidade entre o ar com maior temperatura e o ar com menor temperatura. O ar mais frio se concentra no nível inferior, próximo à entrada do iglu. Como o ar mais quente sobe, as camas são construídas no nível superior. Uma fonte de calor, como uma lamparina a óleo, também ajuda a aquecer o ambiente.

a ) Considerando o iglu como um sistema termodinâmico, avalie as afirmações a seguir como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas.

I ) A parte interior do iglu é um sistema perfeitamente isolado, sem interagir com o exterior.

II ) A parte interior do iglu é um sistema fechado, trocando calor apenas com o exterior.

b ) A parte interior do iglu pode ser considerada um sistema termodinâmico conservativo? Justifique sua resposta.

Resolução:

a ) I) Falsa. Na prática, não é possível construir um sistema perfeitamente isolado do ambiente. II) Verdadeiro.

b ) Sim. Essa região do iglu atua aproximadamente como um sistema isolado, retendo o calor liberado pelo corpo da pessoa que o ocupa e evitando que seja liberado para o exterior, mantendo a habitação com uma temperatura mais agradável.

R5. O corpo humano coberto pelo casaco pode ser considerado um sistema isolado e conservativo? Explique.

Resolução:

Não. Apesar de diminuir a sensação de frio ao reduzir a taxa de calor do corpo para o ambiente, o corpo humano é considerado um sistema aberto e dissipativo.

R6. Um calorímetro caseiro pode ser produzido com materiais simples, seja um copo de vidro ou de isopor, seja outros recipientes capazes de impedir as trocas de calor com o ambiente. Contudo, em um laboratório de pesquisas, esse tipo de dispositivo não é suficiente para obter os dados com a precisão necessária para as pesquisas dos cientistas, pois:

I ) o calorímetro caseiro não é capaz de medir qualquer variação de temperatura dos corpos em seu interior.

II ) o calorímetro feito com material de baixo custo não é capaz de impedir as trocas de calor com o ambiente de forma suficientemente eficaz, deixando parte do calor ser transferido para o ar em volta dos corpos, por exemplo.

III ) esse tipo de calorímetro pode muito bem ser utilizado em qualquer tipo de experimento.

Resolução:

A opção II está correta.

Trocas de calor em um calorímetro

Por dentro do contexto

Ao analisarmos os diferentes tipos de sistemas em termos de suas interações com o ambiente, podemos identificar três categorias principais: sistemas abertos, fechados e isolados. Como vimos anteriormente, a garrafa térmica pode ser classificada praticamente como um sistema isolado, pois reduz a troca de massa e de energia com o meio externo. Já uma panela de pressão é classificada como um sistema aberto porque troca massa e energia com o meio externo.

a ) Como ocorrem as trocas de massa e de energia em uma panela de pressão?

Espera-se que os estudantes citem que a panela de pressão recebe energia da chama do fogão e cede energia para o ambiente pelas laterais e pela tampa. Além disso, troca matéria com o ambiente ao liberar vapor pela válvula.

Como proceder

A. Faça um furo e insira um termômetro no centro da tampa do pote de isopor.

B. Aqueça a água até ela se aproximar do ponto de fervura. Depois, distribua a água em quantidades iguais nos dois recipientes de vidro. Para isso, utilize a balança para verificar a igualdade das quantidades. Anote os valores da balança em seu caderno.

C. Meça a temperatura de ambas as quantidades de água contidas nos recipientes de vidro e anote-a em seu caderno.

1. Um refrigerador utiliza um compressor alimentado por uma fonte de energia externa (energia elétrica) para promover o fluxo de gases ao longo de um circuito fechado. Nesse processo, o calor do interior do aparelho é retirado e levado para a parte posterior, conhecida como radiador (ou condensador). Considerando o refrigerador um sistema termodinâmico, responda às questões a seguir.

a ) Qual é o tipo de sistema termodinâmico desse refrigerador? Explique.

Resposta: Sistema fechado.

b ) O refrigerador pode ser considerado um sistema isolado? Por quê?

Resposta: Não. Porque há uma troca contínua de calor com o ambiente externo através do condensador e uma troca de energia com a fonte externa (energia elétrica que alimenta o compressor).

c ) Se faltar energia elétrica e houver consequentes interrupções do funcionamento do compressor, o refrigerador é capaz de manter a temperatura constante em seu interior? Por quê?

Resposta nas Orientações para o professor.

d ) Considere a seguinte situação: a temperatura no interior do refrigerador, antes de faltar energia elétrica, era de 2 vírgula 0 0 graus Celsius$\text{2,00 }°\text{C}$, mas, por causa de um defeito na vedação das portas, esse aparelho está perdendo rapidamente a capacidade de manter essa temperatura por longos intervalos de tempo. Supondo que a temperatura nessa geladeira esteja aumentando a uma taxa constante de 0 vírgula 0 2 graus Celsius$\text{0,02 }°\text{C}$ por minuto, calcule a temperatura nesse aparelho após duas horas e meia.

Resposta: T abre parênteses 150 fecha parênteses é igual a 5 vírgula 0 0 graus Celsius$T\left(150\right)=\mathrm{5,00}°\text{C}$. Resolução nas Orientações para o professor.

e ) Alguns alimentos como carnes, peixes e derivados de leite são perecíveis e precisam ser guardados no refrigerador para serem conservados em boas condições de consumo por mais tempo. Segundo a portaria de vigilância sanitária, os laticínios precisam ser mantidos a uma temperatura máxima de 4 vírgula 0 0 graus Celsius$\text{4,00 }°\text{C.}$ Nessas condições, qual é o tempo máximo para manter um iogurte na geladeira desligada, apresentada no item d, sem que ele estrague?

Resposta: 't' é igual a 100 minutos$t=100\text{ minutos}$. Resolução nas Orientações para o professor.

f ) Com o compressor desligado, o ato de abrir e fechar a porta da geladeira constantemente altera a forma como sua temperatura varia ao longo do tempo? Mas, se ele estiver ligado enquanto a porta for aberta e fechada repetidamente, pode haver aumento na conta de energia elétrica? Explique.

Resposta nas Orientações para o professor.

2. Explique por que há vácuo entre as paredes espelhadas de uma garrafa térmica.

Resposta: Para impedir trocas de energia na forma de calor com o meio externo por meio dos processos de convecção e condução térmica.

3. Em uma locomotiva a vapor, o carvão é colocado em uma fornalha para ser queimado. Essa fonte de energia é utilizada para aquecer a água em uma caldeira, que, ao ser aquecida, libera vapor. Esse vapor é coletado por uma estrutura no topo da caldeira e direcionado por tubulações até os cilindros, que contêm pistões, fazendo um movimento oscilatório, transmitindo essa energia aos eixos da locomotiva, que a fazem se mover. Considerando a locomotiva a vapor um sistema termodinâmico, em que classe de sistemas ela pode ser classificada?

Resposta: Sistema aberto, pois há trocas de energia e matéria com o ambiente.

4. Na fotossíntese, as plantas absorvem a energia na forma de calor e luz proveniente do Sol e a utilizam para converter o gás dióxido de carbono e a água em glicose e oxigênio, ou seja, convertem em energia potencial química (glicose e outros carboidratos). Com base nesse processo, como é possível classificar o sistema termodinâmico da fotossíntese nas plantas? Explique sua resposta.

Resposta: O sistema termodinâmico da fotossíntese nas plantas pode ser classificado como um sistema aberto. Isso ocorre porque, durante a fotossíntese, as plantas trocam energia e matéria com o ambiente.

5. Uma estudante, realizando experimentos sobre conservação de energia, aquece uma pequena barra de metal até a temperatura de 315 graus Celsius$315°\text{C}$ e, rapidamente a coloca no interior de um calorímetro contendo 0 vírgula 3 quilograma$\mathrm{0,3}\text{ kg}$ de água à temperatura de 20 graus Celsius$20°\text{C}$, fechando o calorímetro na sequência. Acompanhando as variações de temperatura, no termômetro acoplado ao calorímetro, a estudante verifica que o equilíbrio térmico ocorre na temperatura de 55 graus Celsius$55°\text{C}$.

Sabendo que a massa da barra de metal é 'm' subscrito m é igual a 0 vírgula 0 8 quilograma$m_{\text{m}}=\mathrm{0,08}\text{ kg}$, o calor específico do metal vale c subscrito m é igual a 0 vírgula 6 caloria por grama vezes grau Celsius$c_{\text{m}}=\mathrm{0,6}\text{ cal/g}\mathbf{·}°\text{C}$ e o calor específico da água é c subscrito a é igual a 1 caloria por grama vezes grau Celsius$c_{\text{a}}=1\text{ cal/g}\mathbf{·}°\text{C}$, determine:

a ) a quantidade de calor absorvida pelo calorímetro utilizado no experimento.

Resposta: Q subscrito C é igual a 1.980 calorias$Q_{\text{C}}=1.980\text{ cal}$. Resolução nas Orientações para o professor.

b ) a capacidade térmica do calorímetro.

Resposta: 'C' subscrito C é aproximadamente igual a 56 vírgula 6 calorias por grau Celsius$C_{\text{C}}\simeq \mathrm{56,6}\text{ cal/}\mathbf{°}\text{C}$.

c ) a temperatura de equilíbrio caso o calorímetro utilizado fosse ideal.

Resposta: T é aproximadamente igual a 60 vírgula 7 graus Celsius$T\simeq \mathrm{60,7}\mathbf{°}\text{C}$. Resolução nas Orientações para o professor.