Resolução dos exercícios sobre calor

Submarino de Garrafa Pet - Princípio de Pascal e de Arquimedes

Objetivo

Compreender o funcionamento um submarino, ilustrando o Princípio de Pascal e de Arquimedes.

Material

1 garrafa PET transparente com tampa e cheia de água;

1 tampa de caneta;

Um pouco de massa de modelar.

Montagem

Lacre uma das pontas da tampa com um pouco de massa de modelar.

Coloque um pouco de massa na outra extremidade da tampa para ela ficar na posição vertical dentro da água.

Coloque a tampa dentro da garrafa, a qual deverá estar completamente cheia de água e sem bolhas de ar.

Tampe a garrafa.

Procedimento

Após o fechamento, ao apertarmos a garrafa, a caneta irá afundar e desapertando ela retornará para cima.

Explicação

A explicação para este fato está relacionado à densidade da tampa de caneta. Ou seja, quando a densidade da tampa for maior que a da água, a intensidade da força empuxo será menor que o da força peso e a tampa afundará.

Se a densidade da água for maior que a da tampa, o empuxo sobre a tampa terá intensidade maior que o peso e a tampa subirá.

O que se pode observar é que, quando apertamos a garrafa estamos fornecendo uma quantidade de pressão a todos os pontos da água no seu interior (Princípio de Pascal). Com esse aumento de pressão, a água da garrafa penetrará na tampa através do lado aberto e fará com que a massa da tampa aumente. Com esse aumento de massa, a tampa terá uma densidade maior que a da água e afundará.

Ao descomprimirmos a garrafa, a pressão volta ao normal, então sai água da tampa e a densidade da tampa fica menor que a da água. Novamente, fazendo com que ela suba (Principio de Arquimedes).

Este experimento só é possível devido à tampa não estar completamente cheia, ou seja, restando um pouco de ar no seu interior.

          Assista o video do experimento abaixo:

     

          Bibliografia:

       http://www.cienciamao.usp.br/tudo/ief.php?cod=_submarinonagarrafa-principiodearquimedes

       http://www.youtube.com/watch?v=yeQkcIsW-Ys

Conceito de calor

Aristóteles (384-322 a.C.) partiu de dois pares de quantidades opostas, quente/frio e seco/úmido, para compor os quatro elementos de que a matéria é constituída:

A terra: frio e seco

O ar: quente e úmido

A água: fria e úmida

O fogo: quente e seco

Becher (1635-1682) retira o fogo dentre os elementos e admite três tipos de terra: a terra vitrificável que daria corpo as substâncias, a terra untuosa que daria cor e a terra mercurial, ou fluida, provendo densidade e brilho.

Stahl (1660-1734), aluno de Becher, desenvolveu essa teoria e identificou a terra untuosa, oleosa, à propriedade de combustão dos corpos, chamando-a de flogístico. Assim todo corpo capaz de experimentas combustão contém flogístico e quando o corpo queima o flogístico escapa para o ar.

Contudo, as experiências indicavam que certas substâncias, ao serem aquecidas perdiam peso (madeira em cinzas), enquanto outras tornavam-se mais pesadas (metal na suas cinzas), e a teoria dizia que a combustão implicava na perda de flogístico.

O flogístico dominou até sua refutação por Lavoisier (1743-1794) que publicou, nas Memórias da Academia de Ciência de Paris de 1786, depois de muitas e cuidadosas experiências, medindo as massas das substâncias envolvidas, que a combustão  é a combinação do oxigênio com a substância combustível.

Lavoisier fundou a Química Moderna em 1789, com a publicação de seu livro “Tratado Elementar da Química”, estabelecendo a Lei de Conservação das Massas, definindo claramente o que entenderia por elemento químico e fornecendo a primeira tabela dos elementos, entre os quais incluiu o calórico.

Para dar conta do fenômeno que quando dois corpos, um quente e um frio, são postos em contato e um se esfria e outro se aquece até não se poder distinguir se um está mais quente, ou mais frio, do que o outro, fez-se analogia com o escoamento da água.

Esta teoria é aceita pela grande maioria da comunidade cientifica da época. No entanto. Desde o inicio do século XVIII, alguns cientistas começam a manifestar a sua discordância com a teoria, pois entendem que a mesma não explica, de modo satisfatório, certos fenômenos como, por exemplo, a produção de calor quando se atritam dois corpos.

Neste ponto, encontramos Benjamin Thompson (1753-1814), conde Rumford, personagem meio aventureiro meio cientista, que ao fabricar canhões para a defesa da cidade de Munique, fazendo perfurar um cilindro rodando em volta do eixo do torno, contra uma broca estacionária, observou que muito calor era gerado, obrigando que tudo fosse mergulhado em água.

Segundo a teoria do calórico, os canhões de Rumford aqueciam-se porque o material era despedaçado pelas brocas, expelindo o fluido térmico. Cético, o conde pediu a seus empregados que utilizassem uma broca completamente espanada.

O calor produzido era ainda maior, medindo a quantidade de calor liberada em algumas horas, pelo aquecimento de uma amostra de água, Rumford mostrou que se o canhão contivesse tal quantidade de calórico certamente fundiria.

A única saída encontrada por Rumford foi imaginar que o calor não era um fluido, mas sim uma forma de movimento.

Porém a identificação definitiva de calor com energia foi feita pelo físico inglês James Prescott Joule (1818-1889), que estabeleceu inclusive a equivalência entre as duas quantidades.

É importante frisar que o termo calor só pode ser usado para indicar a energia térmica em trânsito, isto é, a energia térmica que está se transferindo em virtude de uma diferença de temperatura.

Portanto, atualmente, o calor é a energia térmica que se transfere entre corpos a diferentes temperaturas.

Lista de exercícios

1. Para se admitir a existência de calor deve haver:

a)  uma diferença de temperatura.

b)  uma diferença de massas.

c) uma diferença de energias.

2. No interior de um quarto que não tenha sido aquecido ou refrigerado durante vários dias

a) a temperaturas dos objetos de metal é inferior à dos objetos de madeira.

b) a temperatura dos objetos de metal, das cobertas e dos demais objetos é a mesma.

c) nenhum objeto apresenta temperatura.

3. Dois cubos metálicos A e B são postos em contato. A está mais "quente" do que B. Ambos estão mais "quentes" do que o ambiente. Após um certo tempo, a temperatura de A e B será

a) igual à temperatura do ambiente.

b) igual à temperatura inicial de B.

c) uma média entre as temperaturas iniciais de A e B.

4. Objetos de metal e de plástico são colocados no interior de um "freezer" que se encontra a -20ºC. Depois de alguns dias, pode-se afirmar que a temperatura dos objetos de plástico é

a) maior que a dos objetos de metal.

b) menor que a dos objetos de metal.

c) igual à dos objetos de metal.

5. Para se admitir a existência de calor

a) basta um único sistema (corpo).

b) são necessários, pelo menos, dois sistemas.

c) basta um único sistema, mas ele deve estar "quente".

Trasmissão de calor: condução

O calor pode se propagar basicamente de três formas:

a)    por condução, a qual ocorre principalmente nos sólidos:

b)    por convecção, em líquidos e gases e;

c)    por radiação, onde não há necessidade de um meio material para a propagação dessa energia.

Condução:

A condução é o modo pelo qual o calor é transferido através de um meio material, de uma molécula (ou átomo) para sua vizinha.

A principal característica da condução é a transferência de energia sem a simultânea transferência de matéria, ocorrendo, assim, predominantemente nos sólidos.

Experimento

Montagem do equipamento:

Esquema de montagem do experimento

(1)  barra de metal;

(2)  suporte metálico com garra;

(3)  esferas pequenas e metálicas;

(4)  fonte de calor (lamparina).

Ao acender a fonte de calor as esferas irão cair uma após a outra com intervalos de tempo distintos, assim os alunos perceberão intuitivamente que o calor vai sendo conduzido aos poucos pela barra de metal.

Transmissçao de calor: Convecção e irradiação

Convecção:

A convecção é a forma de transmissão do calor que ocorre principalmente nos fluidos (líquidos e gases). Diferentemente da condução onde o calor é transmitido de átomo a átomo sucessivamente, na convecção a propagação do calor se dá através do movimento do fluido envolvendo transporte de matéria.

Irradiação:

A transmissão de energia através do espaço é chamada radiação. Este processo de transmissão do calor não depende da presença de um meio material, podendo ocorrer através do vácuo. A energia solar, por exemplo, chega até nós dessa forma.

Experimento 

Montagem do equipamento:

Esquema de montagem do experimento

(1)  fonte de calor (lamparina).

(2)  hélice de alumínio;

(3)  suporte metálico com garra.

Após a montagem do equipamento conforme o esquema, ao acender a fonte de calor a hélice irá começar a rodar devido ao deslocamento da coluna de ar entre a fonte de calor e a hélice, intuitivamente os alunos perceberão que será criado algo parecido com o vento, o qual servira para responder a pergunta do elemento motivador inicial.