refração da luz: lentes ‐ 413ee teoria

1 REFRAÇÃO DA LUZ: LENTES ‐ 413EE TEORIA
1. POTÊNCIA DE UMA FONTE DE CALOR Como o calor é uma forma de energia, podemos dizer que as fontes de calor são corpos ou sistemas termodinâmicos (como o Sol) capazes de transferir calor para outros corpos ou sistemas. Partindo do princípio que o calor é uma forma de energia, então é possível definir também a potência térmica (P) de uma fonte de calor, que é dada por: P = Energia / tempo P = E / t (1) Usualmente, essa potência é expressa em joules por segundo (J/s = watt = W), mas também podemos utilizar outras unidades, como calorias por segundo (cal/s). Lembre que: 1 cal = 4,18 J 1 W = 1 J/s (2) Lâmpadas incandescentes, aquecedores e outros objetos emitem calor para o meio e são fontes de calor significativas. Note que também o corpo humano pode ser considerado uma fonte de calor, pois nosso metabolismo mantém a temperatura do corpo em 37 o C. Por conta disso, usamos roupas leves e claras em locais quentes e ensolarados e preferimos materiais isolantes (como roupas e cobertores de lã) em dias mais frios, para minimizar a perda de calor de nosso corpo para o meio externo. 2. ENERGIA TÉRMICA Entendemos o calor como uma forma de energia. Ele pode ser transferido de um corpo para outro em situações em que existam diferenças de temperatura entre os corpos envolvidos. Portanto, o conceito moderno de calor o entende como uma forma de energia em trânsito. Essa idéia de calor como energia foi introduzida pelo Conde Rumford (1753‐1814), ao estudar o aquecimento de peças metálicas que eram perfuradas para produzir munição para canhões. Em 1798, ele elaborou a teoria que afirmava que a energia empregada no trabalho de perfuração era transferida para as peças, provocando o aumento de temperatura observado. A partir dos estudos de Rumford e a posterior consolidação da Termodinâmica como área de estudo e aplicação da Física, ficou definido que o grau de agitação molecular de um corpo define a quantidade de energia interna dele e, a partir daí, qualificamos o conceito de temperatura de um corpo ou sistema, diferenciando‐o do conceito de calor 2 REFRAÇÃO DA LUZ: LENTES ‐ 413EE 3. O QUE É TERMODINÂMICA? A Termodinâmica é o ramo da Física que se preocupa em estudar os efeitos das variações de pressão, volume e temperatura nos sistemas físico‐químicos. Podemos entendê‐la como um campo que envolve o estudo da relação entre calor e movimento (“termo‐dinâmica”). Por conta disso, ela tem uma grande importância no desenvolvimento de máquinas que geram movimento a partir da energia térmica (calor): máquinas a vapor, motores de automóveis etc. A Revolução Industrial que ocorreu durante o século XVIII e que mudou o panorama socioeconômico do planeta, só foi possível com o estabelecimento dos alicerces da termodinâmica ‐ em especial, com o desenvolvimento da máquina a vapor de James Watt. Ela possibilitou o avanço da indústria de escala na Europa e, depois, também em outras partes do mundo. Também houve uma revolução nos meios de transporte, pois logo foram construídas ferrovias para as locomotivas a vapor, que mais tarde passaram a conviver com os automóveis, já no início do século XX. 3.1. A Máquina de Heron No primeiro século depois de Cristo, Heron de Alexandria construiu o que hoje se acredita ter sido o primeiro dispositivo a vapor capaz de produzir trabalho. Era uma esfera que girava por conta do torque gerado por duas saídas de vapor colocadas em posições diametralmente opostas. Veja como ele funcionava. Máquina de Heron Figura 1 Fonte: ilovefisica.blogspot.com Acessado em 07/07/2010
3 REFRAÇÃO DA LUZ: LENTES ‐ 413EE 3.2. A Máquina de James Watt O engenheiro escocês James Watt (1736‐1819) foi um dos nomes importantes na história da física. Entre seus inúmeros trabalhos, destacam‐se aqueles ligados ao estudo do calor e o desenvolvimento de dispositivos térmicos, que permitiram aplicações na indústria, com sistemas de novas máquinas que impulsionaram a Revolução Industrial. Patenteada em 1769, a máquina de Watt tinha rendimento bem superior ao da antiga máquina de Newcomen e logo se tornou o novo modelo tecnológico a ser seguido. Veja como funcionam alguns tipos básicos de máquina a vapor. James Watt Fonte: pt.wikipedia.org Acessado em 07/07/2010 Figura 2 4. O MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA Uma das mais importantes aplicações da termodinâmica ocorre com a invenção e o desenvolvimento dos motores de combustão interna, no final do século XIX. Essa invenção permitiu que o homem trocasse o cavalo pelo automóvel e alterasse radicalmente o conceito de transporte ao longo do século XX. Motores de combustão de veículos de passeio, como os que operam em Ciclo Otto, geram energia a partir da queima de uma mistura de combustível mais ar. Os combustíveis mais comuns para veículos de passeio são o álcool e a gasolina. Também existem motores de combustão movidos por diesel (mais comuns em veículos pesados), e que tem algumas pequenas diferenças em seu ciclo de operação (Ciclo Diesel) em relação ao motor a gasolina.
4 REFRAÇÃO DA LUZ: LENTES ‐ 413EE No Ciclo Otto, uma mistura de ar e combustível é inserida por injetores na câmara de combustão. Essa mistura é perfeitamente acertada pelo sistema de injeção eletrônica do veículo, que mede grandezas como pressão e temperatura do ar e posição do acelerador para dosar, com precisão, as porcentagens de combustível e ar injetados. A maioria dos motores possui 4, 6 ou 8 cilindros, que se movimentam a partir da queima dessa mistura, provocada pela faísca das velas de ignição. Ao se expandir na queima, os gases empurram o pistão para baixo. O ciclo tem quatro tempos: admissão, compressão, combustão e exaustão. · · · · Na admissão: com a válvula de exaustão fechada, a válvula de admissão se abre, permitindo a entrada da mistura na câmara de combustão; Na compressão: com o pistão subindo, a mistura é comprimida na câmara, e sua temperatura se eleva. As válvulas de admissão e exaustão ficam fechadas; Na combustão: a vela produz uma faísca, que inicia a queima da mistura. É nessa etapa que se produz trabalho, pois a expansão que ocorre com a queima faz com que o pistão se mova para baixo, empurrado pelos gases; Na exaustão: a válvula de exaustão se abre, para eliminar os gases da queima, que vão para o escapamento. Em seguida, o ciclo recomeça com o pistão subindo novamente, pois ele é empurrado pelos outros que estão em movimento alternado. Figura 3 Motor a combustão interna (ciclo Otto) Fonte: ciaar.com.br Acessado em 07/07/2010
5 REFRAÇÃO DA LUZ: LENTES ‐ 413EE Por conta dessa concepção de projeto, com o movimento dos pistões alternado (enquanto alguns descem, outros são movidos para cima em direção a uma nova alimentação), o ciclo é contínuo e o movimento dos pistões acoplados ao virabrequim é transmitido para as rodas do veículo. Embora muitos livros empreguem o termo motor “a explosão”, esse termo é incorreto, pois o que esse tipo de motor faz é uma queima (e não explosão) controlada da mistura. Uma explosão implicaria em danos ao motor e uma perda do perfeito funcionamento mecânico de todo o sistema (e sabemos que não é isso que ocorre). Note que o motor de combustão é uma máquina térmica que transforma energia química (combustível + ar) em térmica (calor e expansão dos gases), que na sequência se transforma em energia mecânica (move os pistões, virabrequim e rodas). Mas a energia que entra não é totalmente transformada em movimento nas rodas, pois existem inúmeras perdas no atrito dos pistões, nas peças móveis, nas trocas de calor com fluidos de refrigeração, nas engrenagens de transmissão etc. Estima‐se que um motor desse tipo tenha um rendimento médio em torno 25%. Os motores de combustão interna são uma das principais tecnologias derivadas dos estudos da termodinâmica. Mas como são poluentes, podem ceder, no futuro, seu lugar para os carros elétricos ou com outras fontes de propulsão. Autor Luis Fábio Simões Pucci. Autoria Especializada em Física (conteúdos: Laboratório Virtual, Teoria, Mapa Interativo, Avaliação e Guia do Professor). Licenciado em Física (USP), Licenciado em Matemática (Uniban‐SP), Engenheiro Mecânico (Mauá‐ SP) e Mestre em Educação (Uninove). Professor e membro da equipe do Instituto Galileo Galilei para a Educação. Autor de livros didáticos e paradidáticos pelas editoras Moderna, Escala Educacional, People e Laborciência. Professor das redes pública e particular de São Paulo. E‐mail: [email protected]