Apostila de Calor

TERMÔMETROS
Podemos considerar que temperatura de um corpo é uma medida que nos dá uma idéia do
grau de agitação das partículas constituintes desse corpo.
Quanto maior for o grau de agitação das partículas constituintes de um corpo, maior será
a temperatura associada ao estado térmico.
Existem muitas grandezas físicas que podem ser medidas e que variam significantemente
quanto à temperatura varia. E é justamente medindo a variação destas grandezas que nós
medimos a temperatura.
Essas grandezas quando usadas na avaliação de temperatura, passam a ser denominadas
grandezas termométricas. Dentre elas podemos citar:
- o volume de um líquido;
- o comprimento de uma barra metálica;
- a resistência elétrica de um fio;
- a pressão de um gás mantido a volume constante;
- o volume de um gás mantido à pressão constante;
- a cor do filamento de uma lâmpada.
Qualquer uma destas grandezas pode ser usada para se
construir um termômetro e com ele medir temperaturas.
Existem atualmente vários tipos de termômetro. O mais
comum é o termômetro de tubo de vidro.
Esse tipo de termômetro é constituído por um tubo fechado,
dotado de um pequeno reservatório denominado bulbo, em
uma das extremidades, parcialmente preenchido por um
líquido em geral mercúrio.
Como se sabe, os líquidos dilatam-se ao sofrerem
aquecimento, e se contraem quando resfriados.
Uma vez que o diâmetro interno do tubo é extremamente
pequeno, fica claro que pequenas dilatações ou contrações
do mercúrio, causadas por pequenos aumentos ou
diminuições de temperatura, determinam grandes variações
na altura do líquido na coluna de vidro.
Os primeiros termômetros de tubo de vidro utilizavam
álcool (chamado espírito-de-vinho) em vez de mercúrio.
O mercúrio é preferível por apresentar as seguintes
propriedades:
- é bom condutor de calor;
- é facilmente obtido em estado de pureza;
- não deixa gotas aderentes às paredes do tubo de vidro;
- é opaco e visível através do vidro;
- só congela em temperaturas anormalmente baixas.
Graduação de um termômetro:
Escolhemos dois estados térmicos cujas temperaturas sejam constantes com o passar do
tempo e cuja reprodução seja fácil. Esses estados térmicos são denominados pontos fixos.
Os estados térmicos normalmente escolhidos correspondem a mudanças de estado da água
pura, sob pressão normal, ou seja, 1 atm:
o primeiro ponto fixo (ponto de gelo) corresponde ao estado térmico do gelo em
fusão sob pressão normal;
o segundo ponto fixo (ponto de vapor) corresponde ao estado térmico da água em
ebulição sob pressão normal.
Primeiro se coloca o termômetro a ser graduado em contato com o gelo fundente; após esse
sistema entrar em equilíbrio térmico, registra-se a altura da coluna de mercúrio no tubo.
Depois faz-se o mesmo no equilíbrio térmico do tubo de vidro com a água em ebulição,
registrando assim o segundo ponto fixo. A cada uma destas marcas se atribui
arbitrariamente um valor numérico de temperatura . Geralmente se atribui ao ponto de
gelo um valor menor que ao ponto de vapor.
Divide-se então o intervalo delimitado pelas duas marcas no tubo de vidro em partes iguais.
Cada uma dessas partes passa a ser a unidade da escala termométrica ou o grau da escala.
É evidente que com esse procedimento podemos calibrar termômetros em um número
praticamente infinito de escalas termométricas diferentes. Em 1979, havia pelo menos 19
escalas termométricas diferentes em vigor.
Atualmente as duas escalas termométricas
mais comuns são a escala Celsius e a escala
Fahrenheit.
C
5
F
32
9
Escala absoluta Kelvin
Você pode imaginar qual é a temperatura mais alta possível?
Teoricamente não existe um limite superior para a temperatura, isto é, não podemos definir
qual é a temperatura mais alta possível. A temperatura no interior das estrelas pode atingir
trilhões de graus. Contudo é possível demonstrar que existe um limite inferior, isto é, existe
um estado térmico mais frio que qualquer outro. A esse limite inferior de temperatura
damos o nome de ZERO ABSOLUTO.
Essa constatação foi feita pela primeira vez pelo físico irlandês William Thonsom (18241907), mais tarde agraciado com o título Lorde Kelvin pelo governo britânico.
A conversão da escala celsius para a escala kelvin se dá pelo acréscimo de 273 unidades no
grau Celsius:
K
C
273
Obs:
A unidade de temperatura absoluta do SI é o kelvin (K).
É provavelmente impossível chegar ao Zero Absoluto (0K).
A temperatura mais baixa já atingida, em laboratório de pesquisas, foi 2 10 9 K
DILATAÇÃO TÉRMICA
Todos os corpos na natureza estão sujeitos a este fenômeno, uns mais outros menos.
Geralmente quando esquentamos algum corpo, ou alguma substância, esta tende a
aumentar seu volume (expansão térmica). E se esfriarmos algum corpo ou substância
esta tende a diminuir seu volume (contração térmica).
Existem alguns materiais que em condições especiais fazem o contrário, ou seja,
quando esquentam contraem e quando esfriam dilatam. É o caso da água quando está na
pressão atmosférica e entre 0ºC e 4ºC. Mas estes casos são exceções, embora tenham
também sua importância.
Porque isso acontece ?
Bem, você deve estar lembrado que quando esquentamos alguma substância estamos
aumentando a agitação de suas moléculas, e isso faz com que elas se afastem umas das
outras, aumentando logicamente o espaço entre elas. Para uma molécula é mais fácil,
quando esta está vibrando com mais intensidade, afastar-se das suas vizinhas do que
aproximar-se delas. Isso acontece por causa da maneira como as forças moleculares agem
no interior da matéria. Então ...
" ...se o espaço entre elas aumenta, o volume final do corpo acaba aumentando
também"
Quando esfriamos uma substância ocorre exatamente o inverso. Diminuímos a
agitação interna das mesmas o que faz com que o espaço entre as moléculas diminua,
ocasionando uma diminuição do volume do corpo.
"Se o espaço entre as moléculas diminui, o volume final do corpo acaba diminuindo
também"
Como calcular estas dilatações ou estas contrações ?
Existem três equações simples para determinar o quanto um corpo varia de tamanho,
e cada uma delas deve ser usada em uma situação diferente.
1 - Dilatação térmica linear
L = o quanto o corpo aumentou seu comprimento
Lo = comprimento inicial do corpo
= coeficiente de dilatação linear (depende do material)
variação da temperatura ( Tf - Ti )
Vale destacar que o coeficiente de dilatação linear ( ) é um número tabelado e depende
de cada material. Com ele podemos comparar qual substância dilata ou contrai mais do que
outra. Quanto maior for o coeficiente de dilatação linear da substância mais facilidade ela
terá para aumentar seu tamanho, quando esquentada, ou diminuir seu tamanho, quando
esfriada.
Outra coisa interessante de notar é que, se soubermos o valor do coeficiente de dilatação
linear ( ) de uma determinada substância, poderemos também saber o valor do coeficiente
de dilatação superficial ( ) e o coeficiente de dilatação volumétrica ( ) da mesma. Eles
se relacionam da seguinte maneira:
= 2
2 - Dilatação térmica superficial
e
= 3
A = o quanto o corpo aumentou sua área
Ao = área inicial do corpo
= coeficiente de dilatação superficial (depende do material)
variação da temperatura ( Tf - Ti )
3 - Dilatação térmica volumétrica
V = o quanto o corpo aumentou seu volume
Vo = volume inicial do corpo
= coeficiente de dilatação volumétrica (depende do material)
variação da temperatura ( Tf - Ti )
Obs:
L , A ou
V positivos significa que a substância aumentou suas dimensões.
L , A ou
V negativos significa que a substância diminuiu suas dimensões.
CALORIMETRIA
Calor é a energia térmica em trânsito entre corpos a temperaturas diferentes.
É representado pela grandeza Q (quantidade de calor) e expresso em calorias ou
joules
1 caloria = 4,186 joules
Uma caloria é a quantidade de calor que, ao ser recebida por 1 grama de água,
aumenta sua temperatura de 1°C (à pressão de 1 atm).
Calor Sensível é o calor trocado por um sistema e que provoca nesse sistema apenas uma
variação de sua temperatura:
Q
mc
Calor Latente é o calor trocado por um sistema e que provoca nesse sistema apenas uma
mudança de estado físico:
Q
ml
Ao receber calor, um bloco de gelo a 0o C derrete, transformando-se em água no
estado líquido. Por mais que o gelo receba calor, enquanto está ocorrendo a mudança de
estado, sua temperatura permanece constante e, nesse caso, o calor recebido pelo gelo
recebe o nome de calor latente.
Podemos dizer que calor latente é aquele que provoca mudança de estado de uma
substância sem alterar sua temperatura.
As experimentações feitas por físicos em laboratórios mostram que a quantidade de calor
requerida numa mudança de estado depende da substância (água, ferro, chumbo etc.) e de
sua massa. No caso do gelo, são necessárias 80 calorias para que 1 grama passe para o
estado líquido.
Nomenclatura:
Q = quantidade de calor
m = massa
c = calor específico
= variação da temperatura
l = calor latente
C = capacidade térmica C = mc
Convencionalmente utiliza-se as unidades
Q calorias (cal)
m gramas (g)
c cal /g°C
°C
l cal/g
C cal/°C
No SI:
Q joules (J)
M kg
C J / kg K
K
POTÊNCIA
A potência térmica da fonte de calor (aquecedor elétrico, geladeira etc) é calculada
dividindo-se a variação da quantidade de calor Q pelo tempo de atuação t.
P
Q
t
Costuma-se utilizar a unidade de tempo em segundos, sendo assim, a unidade de potência
seria dada em cal/s (calorias por segundo).
No SI, a unidade de calor é o joule (J). A unidade de potência no SI é o joule por segundo
J
W
(J/s) também conhecida como watt (W).
s
Exemplo de cálculo de potência:
Um bloco de ferro com massa 200g é aquecido de 0°C para 60°C por uma fonte térmica de
potência constante. Se o calor específico do ferro vale 0,1 cal/g°C e o aquecimento
demorou 5 minutos, determine a potência dessa fonte térmica em cal/s.
Solução:
A quantidade de calor recebida pelo bloco de ferro através da fonte térmica é Q = mc
Q = 200 x 0,1 x (60° - 0°)
Q = 1200cal
A potência da fonte térmica é dada por P
Q
t
O tempo em minuto deve ser transformado em segundos:
1 min
60 seg
5 min
x
Então, t = 300 segundos
P
1200
300
4cal / s
Outro exemplo: Um chuveiro elétrico tem potência 4KW (4000W). A água entra no
chuveiro a 15°C com uma vazão de 20l/min. Determine a temperatura da água ao deixar o
chuveiro.
Dado: calor específico da água = 4000J/ kg°C
Solução:
Q
mc
Como a potencia é dada por P
e Q = mc
temos que P
, então:
t
t
4000
20 4000 (
f
15 )
60
Lembre-se que o tempo deve estar em segundo uma vez que a potência está em watts
(W) que é joule por segundo.
Por que sentimos frio ou calor?
Por que ficamos todo arrepiado e trememos de frio?
Quais são os mecanismos que geram, em nós, o suor e qual a sua função?
E a febre?
Como o calor se transfere de um lugar para outro?
Bem, vejamos:
O frio
De início, devemos lembrar que o ser humano é um animal homeotérmico, ou seja, existe
uma estreita faixa de temperaturas --- que fica ao redor dos 36,1oC --- dentro da qual nosso
corpo consegue funcionar adequadamente, regulando as funções de nossas células; fora
desta faixa, problemas graves podem ocorrer e até mesmo ocasionar a morte.
Para evitar que nossa temperatura corporal saia fora dessa estreita faixa, nosso
organismo criou mecanismos de defesa.
Quando o ambiente está frio, e começamos a perder calor para ele, são acionados, de
início, os horripiladores, pequeninos músculos que ficam na raiz de cada pêlo que temos
espalhados pelo corpo. Esse acionamento causa de imediato o conhecido arrepio, uma onda
de trepidação muscular pelo corpo todo. A tremedeira, que logo depois se estende a outros
músculos, é nossa primeira proteção, pois tremer é um processo mecânico para gerar calor.
Além disso, os pelos eriçados colaboram na retenção de uma camada de ar junto à
pele e, como o ar é um bom isolante térmico, eis nosso primeiro agasalho natural. Quanto
mais pelo, mais ar é aprisionado e tanto melhor será esse agasalho natural. Nas aves, tal
agasalho é constituído pelas penas.
Outra proteção natural do corpo é o embolar ; fechamos as mãos, cruzamos os braços,
encolhemos as pernas e curvamos o corpo --- tudo isso para diminuir a superfície externa
exposta --- quando menor a superfície exposta, menor será a área pela qual o calor pode
escapar para o ambiente.
Está percebendo porque, no frio, o gato dorme todo enrolado, os bois se juntam ao
máximo e você se encolhe todo sob os cobertores? O segredo é diminuir a superfície
exposta! Quando isto não for suficiente, teremos que apelar para os agasalhos --- eles
engrossam as camadas de ar ao redor de nossa pele proporcionando maior isolamento
térmico.
Cobertores não "esquentam" ninguém! Eles apenas aprisionam uma boa camada de ar
ao nosso redor e, como o ar aprisionado é um bom isolante térmico, impede a perda de
calor do corpo para o ambiente.
O calor
E quando sentimos calor?
Aí inverte tudo: agora é a vez do nosso corpo receber calor do ambiente que está mais
quente do que nós próprios.
Que fazer para remediar este acréscimo exagerado de calor que recebemos do
ambiente?
Ora, devemos dar um jeito de jogar calor para fora do corpo. Lá vem nossa proteção:
o sangue intensifica sua técnica de fluir e passa a irrigar partes mais próxima da pele --- é
aquele vermelhão que começamos a ver e sentir na pele --- como a camada protetora do
sangue diminui (pois está mais próximo da epiderme), o calor pode mais facilmente se
transferir dele para a superfície da pele e escapar para o ambiente.
O suor
Se isso ainda não é suficiente, lá vem mais proteção: entram em ação as glândulas
sudoríparas. São glândulas em forma de tubos que se abrem na superfície da pele formando
os poros --- elas expelem o suor --- e esse, ao evaporar retira mais calor da própria pele,
esfriando-a.
Então:
Sentir frio é perder calor exageradamente.
Sentir calor é receber calor exageradamente.
Sempre é o calor que vai do lugar mais quente para outro mais frio. Frio não é coisa
que entra ou coisa que sai --- frio é uma sensação ocasionada por perda de calor! --- não
'ondas de frio', há massas de ar frio que passam por nós e que retiram calor de nossos
corpos ... e temos a sensação de frio!
A febre
Mesmo sendo animais homeotérmicos, há situações em que nosso organismo precisa de
uma temperatura maior que a normal para seu bom desempenho e isso ocorre, por exemplo,
quando somos atacados por microorganismos --- vírus e bactérias --- e nossas defesas
internas ( glóbulos brancos e seu exército) precisam lutar contra eles para nos defender.
Acontece que essas defesas são realizadas à custa de reações químicas, cuja eficiência
aumenta com o aumento da velocidade com que se processam estas reações.
Sabe qual é um dos fatores que aumenta esta velocidade?
Sim, é isso mesmo, a temperatura!
Para ajudar os glóbulos no combate a essa invasão de microorganismos nosso
organismo decide, nesta situação de guerra, aumentar a temperatura corporal bem acima
dos 36,1oC. Está instalada a febre --- não é ela uma doença em si, mas a conseqüência de
uma luta que está sendo travada em nosso benefício --- não é um problema, pelo contrário,
é até um benefício, pois nos mostra que estamos equipados com mecanismos adequados de
defesa. Pior seria se não tivéssemos febre! Ai os microorganismos acabariam conosco num
piscar de olhos.
O problema aparece quando nosso organismo, em desespero de causa, continua a
aumentar a temperatura corporal; as vezes, para além dos 40oC: ai o bicho pega! A
temperatura passa a ser um problema seríssimo, pois aniquila nossas enzimas e nossas
células podendo, mesmo, ocasionar a morte. Antes de chegar a tal situação, devemos fazer
algo para baixar a temperatura. É ai que entram os medicamentos para controlar a febre, e
não para acabar com ela ... e conosco!
O cobertor realmente nos esquenta?
Preliminares
O calor pode transmitir-se, de um local mais quente para outro mais frio, de três modos:
condução, convecção e radiação. Ainda que os três possam ocorrer de forma simultânea,
um deles pode ter maior relevância, sobre os outros, em cada situação.
Como vimos, sentimos frio quando nosso corpo perde calor. Quando maior a rapidez
dessa perda, maior será também a sensação de frio. Na perda de calor através da pele, a
convecção contribui de forma decisiva. Esse modo de propagação do calor ocorre apenas
com os fluidos (líquidos e gases) e pressupõe-se a existência de correntes (fluxos) no
interior deles. Massas de fluidos a baixas temperaturas são substituídas por massas de
fluido a maior temperatura que estão em contato com a fonte de calor. Esses movimentos
do fluido produzem-se, em geral, como conseqüência de uma diferença de peso específico
que o fluido quente apresenta em relação ao fluido frio. Devido a isso, o fator 'existência de
gravidade' é preponderante nesse tipo de convecção.
Se em um recipiente transparente contendo água que está sendo aquecida
acrescentarmos uma gotas de corante (figura abaixo, esquerda), poderemos observar
facilmente as correntes de convecção. Elas se manifestam quando a água do fundo fica
aquecida (menos densa) e sobe, dando lugar à água fria (mais densa) que desce da
superfície.
Se colocarmos a mão logo acima de um radiador de calor (aquecedor elétrico) em
funcionamento, notaremos a corrente de convecção determinada pela ascensão do ar
quente.
Uma variante, denominada convecção forçada, tem lugar quando as correntes de
convecção não são originárias por diferenças de densidades. Se forçarmos tais correntes,
aumentamos a taxa de transferência de calor. Assim, se agitarmos com uma colher a água
que estamos aquecendo, provocamos uma convecção forçada e o aquecimento ocorrerá
com maior rapidez. De forma análoga, a colocação de um ventilador na frente do radiador
de calor, fará com que o ambiente se aqueça mais rapidamente.
Uma convecção é um transporte de material quente para uma região fria e, sempre deverá
haver algum fator (causa) para determinar tal movimento (efeito). Nos casos corriqueiros
de aquecimento de líquidos a causa da convecção é a gravidade terrestre. Quando, mediante
uma tenaz, levamos um carvão em brasa de uma churrasqueira para uma bacia com água e
o trazemos de volta para a churrasqueira, seremos nós o responsável por essa corrente de
convecção.
Uma das funções da roupa que vestimos é justamente dificultar as correntes de
convecção, as quais ocasionariam perdas de calor. Os ventiladores que usamos no verão
(muito longo, para meu gosto) para nos refrescar também é exemplo de convecção forçada.
Segurando-se uma das extremidades de uma barra de ferro (figura acima, direita) e
mantendo a outra sobre o fogo, é provável que, a menos que a barra seja muito comprida,
logo deveremos soltá-la para não queimar a mão. Através da barra de ferro, assim como no
interior de qualquer outro sólido, o calor se propaga mediante um mecanismo denominado
condução. É uma transferência gradual de calor de partícula para partícula, no sentido da
região quente para a fria. Os metais são excelentes condutores de calor enquanto que os
tecidos com os quais nos vestimos e aqueles com os quais se fazem os cobertores são muito
maus condutores. O próprio ar, em si, é mau condutor de calor.
Um cobertor, portanto, não nos "dá calor", apenas dificulta sua perda, primeiro por ser
mau condutor de calor e segundo por dificultar as correntes de convecção do ar.
A radiação é o terceiro modo através do qual o calor pode propagar-se. Todos os
corpos emitem e absorvem calor sob a forma de radiação eletromagnética. Em geral, quanto
maior a temperatura da fonte térmica, maior será a quantidade de energia radiante emitida.
Uma grande parte da energia disponível na Terra provém da radiação térmica solar.
Uma superfície que absorve bem a radiação incidente sobre ela, nós a reconhecemos
como tendo cor preta. Ao contrário, uma superfície reconhecida como de cor branca, é
aquela que não absorve praticamente nada da radiação que recebe.
CONDUÇÃO DE CALOR
Transmissão de calor é a denominação dada à passagem da energia térmica (que durante a
transferência recebe o nome de calor) de um corpo para outro ou de uma parte para outra de
um mesmo corpo. Essa transmissão pode se processar de três maneiras diferentes:
condução, convecção e irradiação.
1. CONDUÇÃO
É o processo de transmissão de calor em que a
energia térmica passa de um local para outro através
das partículas do meio que os separa. Na condução a
passagem da energia de uma região para outra se faz
da seguinte maneira: na região mais quente, as
partículas têm mais energia, vibrando com mais
intensidade; com esta vibração cada partícula
transmite energia para a partícula vizinha, que passa a
vibrar mais intensamente; esta transmite energia para
a seguinte e assim sucessivamente.
A condução de calor é um processo que exige a
presença de um meio material e que, portanto, não
ocorre no vácuo.
As panelas , geralmente são de metal e possuem
um cabo de madeira ou de baquelite. O metal, por ser bom condutor de calor, garante
aquecimento mais rápido; a madeira ou a baquelite do cabo, não queimam a mão por serem
bons isolantes térmicos.
As canecas de alumínio, muito usadas antigamente, são pouco práticas, pois, ao se
colocar dentro delas líquidos quentes, elas rapidamente se aquecem, tornando-se difícil
tocá-las. Hoje em dia são mais usadas as canecas de vidro, de cerâmica ou de acrílico, que
são bons isolantes térmicos.
Os fabricantes de geladeiras recomendam a limpeza do congelador quando a camada
de gelo em seu interior atinge determinada espessura, pois o
gelo é bom isolante térmico e por isso dificulta as trocas de
calor que devem ocorrer entre o congelador e o fluido operante
dentro dos tubos do congelador.
Pelo mesmo motivo, os iglus, habitação típica dos
esquimós, são de gelo, para diminuir as perdas de calor de seu
interior, já que o gelo é bom isolante térmico.
2. CONVECÇÃO
Consideremos uma sala na qual se liga um aquecedor elétrico em sua parte inferior.O ar
em torno do aquecedor se aquece, tornando-se menos denso que o restante. Com isto ele
sobe e o ar frio desce, havendo uma troca de posição do ar quente que sobe e o ar frio que
desce. A esse movimento de massas de fluido chamamos convecção e as correntes de ar
formadas são correntes de convecção.
Portanto, convecção é um movimento de massas de fluido, trocando de posição entre si.
Notemos que não tem significado falar em convecção no vácuo ou em um sólido, isto é,
convecção só ocorre nos fluidos.
Exemplos ilustrativos:
1) No verão, deve-se introduzir o ar refrigerado nas salas pela parte superior, para que,
devido à sua maior densidade, ele desça, provocando a circulação de ar. No inverno, o ar
quente deve ser introduzido pela parte inferior da sala.
2) À beira-mar, a areia, tendo calor específico sensível muito menor que o da água, se
aquece mais rapidamente que a água durante o dia e se resfria mais rapidamente durante a
noite.
DURANTE O DIA: O ar próximo da areia fica mais quente que o restante e sobe, dando
lugar a uma corrente de ar da água para a terra. É o vento que, durante o dia, sopra do mar
para a terra.
DURANTE A NOITE: O ar próximo da superfície da água se resfria menos. Com isto ele
fica mais quente que o restante e sobe, dando lugar a uma corrente de ar da terra para água.
É o vento que, durante a noite, sopra da terra para o mar.
Nas geladeiras o congelador é sempre colocado na parte
superior, para que o ar se resfrie na sua presença e desça,
dando lugar ao ar mais quente que sobe. As prateleiras são
feitas em grades (e não inteiriças) para permitir a convecção
do ar dentro da geladeira.
3. IRRADIAÇÃO
É o processo de transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas (ondas de calor).
A energia emitida por um corpo (energia radiante) se propaga até o outro, através do espaço
que os separa.
Sendo uma transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas, a radiação não exige
a presença do meio material para ocorrer, isto é, a radiação ocorre no vácuo e também em
meios materiais.
Entretanto, não são todos os meios materiais que permitem a propagação das ondas de
calor através deles.
Toda energia radiante, transportada por onda de rádio, infravermelha, ultravioleta, luz
visível, raio X, raio gama, etc., pode converter-se em energia térmica por absorção.
Porém, só as radiações infravermelhas são chamadas de ondas de calor.
ATENÇÃO:
Um corpo bom absorvente de calor é um mau refletor.
Um corpo bom refletor de calor é um mau absorvente.
GARRAFAS TÉRMICAS
As garrafas térmicas são recipientes destinados a impedir a troca de calor entre seu
conteúdo e o meio ambiente. Em virtude da simplicidade com que são construídas e
facilidade de manejo que oferecem, passaram a ter um amplo emprego; as mais conhecidas
são as de uso doméstico, que servem para manter os líquidos quentes ou frios por longos
períodos de tempo.
Existem apenas três maneiras pelas quais o calor pode ser transferido de um meio a outro: a
condução, a convecção e a radiação.
As garrafas térmicas são constituídas basicamente de um vaso de vidro com paredes
duplas, distanciadas entre si cerca de1 cm. No processo de fabricação, o ar é retirado
(parcialmente, pois é impossível obter o vácuo perfeito) do espaço entre as paredes através
de um orifício que a seguir é selado. Com isso reduz-se consideravelmente a transferência
de calor tanto por condução como por convecção, afinal, esses tipos de troca de calor
necessitam de meio material para se propagarem.
Para que seja mínima a transferência por radiação, as superfícies das paredes são revestidas
de prata, o que as torna altamente espelhadas. Assim as radiações são refletidas
internamente sem que haja transmissão para o exterior. Como o vidro é muito frágil, o vaso
é acondicionado em um recipiente de metal ou plástico. A rolha para fechamento da garrafa
é geralmente oca e feita de borracha ou plástico, que oferecem bom isolamento térmico.
Não existem isolantes perfeitos, há sempre alguma perda de calor através da tampa, por
melhor que seja o isolante térmico utilizado. Assim, se colocarmos líquido quente no
interior da garrafa, o líquido vai se esfriando, embora muito lentamente.
EXERCÍCIOS PARA A PROVA
1 Um termômetro indica uma temperatura ambiente de 25°C. Nas mesmas condições,
qual é a temperatura indicada por um termômetro graduado na escala Fahrenheit?
2 No ser humano a temperatura corpórea pode variar no intervalo de 35°C a 42°C. Na
escala Fahrenheit quais seriam esses limites?
3 Uma escala arbitária X relaciona-se com a escala Celsius
de acordo com o diagrama ao lado. Qual a temperatura na
escala X correspondente à temperatura em Celsius de
ebulição da água?
4 Sêmen bovino para inseminação artificial é conservado
em nitrogênio líquido que, à pressão normal, tem temperatura
78K. Calcule essa temperatura em:
a) graus Celsius (°C);
b) graus Fahrenheit (°F).
5
- Determine a temperatura cuja indicação na escala Fahrenheit, corresponda ao
dobro da indicação na escala Celsius.
6 Numa escala X, as convenções são 5°X para o ponto de gelo e 85°X para o ponto de
vapor. Para converter a leitura °X em leitura °C devemos usar:
d )C
5 x 25
4
4 x 20
5
5x
4
x 5
e)C
5 x 25
a )C
b)C
c)C
7 - Se uma haste de prata varia seu
comprimento de acordo com o
gráfico dado, o coeficiente de
dilatação linear desse material vale:
a )4,0.10
5
C
1
b)3,0.10
5
C
1
c)2,0.10
5
C
1
d )1,5.10
5
C
1
e)1,0.10
5
C
1
8 Uma placa de aço sofre uma dilatação de 2,4 cm², quando aquecida de 100°C. Sabendo
que o coeficiente de dilatação linear médio do aço, no intervalo considerado, é
1,2.10 6 C 1 , podemos afirmar que a área da placa, antes desse aquecimento era de?
9 Um paralelepípedo, a 30°C, tem dimensões 10cm x 20cm x 40cm e é constituído por
um material cujo coeficiente de dilatação vale 5.10 6 C 1 . Determine o acréscimo de
volume, em cm³, sofrido pelo paralelepípedo quando este é aquecido até 130°C.
10 Uma barra metálica constituída por um material com coeficiente de dilatação linear
5.10 6 C 1 tem comprimento L0 a 20°C. Determine a que temperatura essa barra deve ser
aquecida para seu comprimento aumentar 0,1%.
11 Um corpo absorve calor de uma fonte à razão de 1000 cal/min. O gráfico da
temperatura do corpo em função do tempo t, está indicada a seguir.
a) Qual é a capacidade térmica do corpo?
b) Se a massa do corpo é 1000g, quanto vale seu calor específico em cal/g°C
12 Em um calorímetro de capacidade térmica desprezível, misturam-se 100g de latão a
400°C com 100g de água a 50°C. Sendo o calor específico do latão 0,092 cal/g°C,
determine a temperatura de equilíbrio térmico.
13 - Colocaram-se 500g de cobre a 200°C num recipiente contendo 750g de água a 20°C.
Qual será a temperatura final, depois de estabelecido o equilíbrio térmico?
Dado: calor específico do cobre = 0,094 cal/g°C
14 - Um bloco de alumínio, de massa 400g e a temperatura de 120°C, é introduzido em um
calorímetro de cobre de massa 300g que contem 900g de água a 25°C. Supondo que não
haja perda de calor para o ambiente, a temperatura final de equilíbrio, em °C, vale,
aproximadamente:
Dados:
calor específico do alumínio = 0,20 cal/g°C
calor específico da água = 1 cal/g°C
calor específico do cobre = 0,1 cal/g°C
15 Em um calorímetro de capacidade térmica 42,5 cal/°C que contém 250g de água a
50°C, são colocados m gramas de gelo fundente. A temperatura de equilíbrio térmico é
10°C. Quanto vale a massa m?
Dados:
calor específico da água = 1 cal/g°C
calor latente de fusão do gelo = 80 cal/g
16 São colocados em contato, formando um sistema isolado, 40g de gelo a -20°C e 100g
da água a 20°C. Descreva o equilíbrio térmico.
Dados:
calor específico da água = 1 cal/g°C
calor latente de fusão do gelo = 80 cal/g
calor específico do gelo = 0,5 cal/g°C
17 - Um corpo metálico de 200g constituído por uma substância cujo calor específico vale
0,3 cal/g°C, inicialmente a 15°C, é aquecido por uma fonte de calor que fornece 50 cal/s.
Determine:
a) a temperatura do corpo após um aquecimento por 2 minutos;
b) o tempo de aquecimento necessário para o corpo metálico atingir a temperatura de
165°C.
18 Uma resistência é mergulhada em um recipiente que contém 2l de água, à temperatura
de 20°C. A resistência é ligada então, a uma tomada elétrica durante 1 minuto. Sabe-se que
a potência elétrica dissipada na resistência é de 4400W. Qual a temperatura da água ao final
desse tempo?
Dados:
Calor específico da água = 1 cal/g°C
Adote 1 caloria = 4,2 joules
Densidade da água = 1 g/ L
19 Você coloca a extremidade de uma barra de ferro sobre uma chama, segurando pela
outra extremidade. Dentro de pouco tempo, você sente, através do tato, que a extremidade
que você segura está se aquecendo. Podemos dizer que:
a) não houve transferência de energia no processo.
b) o calor transferiu-se por irradiação.
c) o calor transferiu-se por convecção.
d) não podemos dizer que a energia transferida foi calorífica.
e) o calor transferiu-se por condução.
20 Considere três fenômenos simples:
I circulação de ar na geladeira.
II aquecimento de uma barra de ferro.
III variação de temperatura do corpo humano no banho de sol.
Associe, nesta mesma ordem o tipo de transferência de calor que principalmente ocorre
nestes fenômenos.
21 Uma garrafa de cerveja e uma lata de cerveja permanecem por mais de 12 horas numa
geladeira. Ao retirarmos ambos os frascos, temos a impressão de que a lata está mais fria do
que a garrafa. Uma explicação plausível para esse fato é que:
a) como a lata é melhor condutora de calor do que o vidro, a temperatura da cerveja no seu
interior realmente é mais baixa que a temperatura da cerveja no interior da garrafa.
b) como a lata tem dimensões menores que a garrafa, ela estará a uma temperatura mais
baixa.
c) como o vidro é melhor condutor de calor que a lata, ao colocarmos a mão na garrafa,
transmitimos prontamente calor do corpo ao vasilhame.
d) como a lata é pior condutora de calor que o vidro, a temperatura da cerveja é menos na
lata do que na garrafa.
e) como a lata é melhor condutora de calor que o vidro, ao pegarmos a lata, transmitimos
prontamente a ela o calor do corpo.
22 Algumas geladeiras domésticas possuem as prateleiras internas gradeadas. Elas são
assim para:
a) evitar a absorção de energia radiante.
b) facilitar a absorção de energia radiante.
c) facilitar a convecção do ar no seu interior.
d) atuar como terra evitando choques nos usuários.
e) facilitar a condução de calor para os alimentos.
GABARITO
1 77°F
2 95°F e 107,6°F
3 66,67°X
4 a) -195°C
b)-319°F
5 160°C e 320°F
6 a
7 c
8 1m²
9 12 cm³
10 220°C
11 a) 400 cal / °C
b) 0,4 cal /g°C
12 79,5°C aproximadamente
13 30,6°C aproximadamente
14 33°C
15 130g
16 No equilíbrio haverá água e gelo a 0°C (massa de água = 120g e massa de gelo = 20g)
17 a) 115°C
b) 3 minutos
18 51,4°C
19 e
20 a
21 e
22 c
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