Fisica_2-cap3

CAPÍTULO 3\nTermodinâmica\nO calor está sempre presente nos processos de transformação de energia. Ele pode ser tanto o agente transformador - como no caso das usinas termelétricas, nas quais o calor é empregado para gerar eletricidade - quanto o produto final da transformação - como no caso dos aquecedores de água, que transformam energia elétrica ou solar em energia térmica.\nExistem outros equipamentos, como o de ar-condicionado e a bomba de calor, que se baseiam na principal característica do calor - estar em fluxo, movimento - para cumprir suas finalidades. Enquanto o ar-condicionado retira calor do ambiente interno e o transfere para o meio externo, a bomba de calor retira calor do meio externo e o transfere para o interno. Esses processos ocorrem graças à realização de trabalho mecânico, uma vez que a passagem de calor não se dá espontaneamente dos corpos - nesse caso, ambientes - de menor temperatura para os de maior temperatura. 3.1 O calor como energia\nA TEORIA DO CALORÍCO\nQuando analisamos o conceito de equilíbrio térmico, vimos que, se dois objetos a temperaturas diferentes são colocados em contato, eles atingem, após um certo tempo, a mesma temperatura. Até o início do século XIX os cientistas explicavam esse fato supondo que todos os objetos continham, em seu interior, uma substância fluida, invisível, de peso desprezível, denominada calorífico. Quanto maior fosse a temperatura de um objeto, maior seria a quantidade de calorífico em seu interior.\nDe acordo com esse modelo, quando dois objetos, a temperaturas diferentes, eram colocados em contato, haveria passagem de calor do objeto mais quente para o mais frio, acrecentando diminuição na temperatura do primeiro e aumento na temperatura do segundo. Quando os objetos atingiam a mesma temperatura, o fluxo de calor era interrompido e eles permaneciam, a partir daquela instante, em equilíbrio térmico.\nApesar de ser este raciocínio satisfatoriamente muitos fenômenos, alguns físicos mostraram-se insatisfeitos, Rumford percebeu que a ideia do calorífico não passava de suposição e que um objeto aquecido possuía maior quantidade de energia.\nCalor e energia\nA ideia de que o calor é energia foi introduzida por Rumford, um engenheiro militar que, em 1798, trabalhava na perfuração de canhões. Observando o aquecimento dos pés ao serem perfurados, Rumford percebeu que era possível atribuir esse aquecimento à energia que era realizada contra o atrito. Por outras palavras, a energia que aparecia na realização do trabalho era proveniente do movimento. Portanto, a conclusão era que os objetos aquecidos possuíam maior quantidade de energia e não calorífico. UNIDADES DE CALOR\nUma vez estabelecido que o calor é uma forma de energia, é evidente que uma certa quantidade de calor deve ser medida em unidades de energia. Então, no SI, mediremos o calor em joule.\nEntretanto, na prática, outra unidade de calor é até hoje usada. Muito antiga (da época do calorífico), denomina-se 1 caloria = 1 cal. Por definição, 1 cal é a quantidade de calor que se transferida a 1 g de água para que sua temperatura se eleve de 1 °C [FIGURA 3.1].\nEm suas experiências, Joule estabeleceu a relação entre essas duas unidades, encontrando:\n1 cal = 4,18 J 3.2 Transferência de calor\n\nCONDUÇÃO\n\nSuponha que uma pessoa esteja segurando uma das extremidades de uma barra metálica e que a outra extremidade seja colocada em contato com uma chama [FIGURA 3.3.a].\nOs átomos ou as moléculas da extremidade aquecida pela chama adquirem maior energia de agitação. Parte dessa energia é transferida para as partículas da região vizinha a essa extremidade, e a temperatura dessa região também aumenta. Esse processo continua ao longo da barra [FIGURA 3.3.b]. Após certo tempo, a pessoa que segura a outra extremidade perceberá uma elevação de temperatura nesse local.\n\nHouve, portanto, transmissão de calor ao longo da barra. Esse fenômeno continuará enquanto existir uma diferença de temperatura entre as duas extremidades. Essa transmissão foi feita pela agitação dos átomos da barra, transferida sucessivamente de um para outro, sem que esses átomos sofram translacão ao longo do objeto. Esse processo de transmissão de calor é denominado condução. A maior parte do calor transferido através dos objetos sólidos é transmitida, de um ponto a outro, por condução.\n\nDependendo da constituição atômica de uma substância, a agitação térmica poderá ser transmitida de um átomo para outro com maior ou menor facilidade, fazendo com que essa substância seja boa ou má condutora de calor. Assim, os metais, por exemplo, são bons condutores de calor, enquanto outras substâncias, como isopor, cortiça, madeira, ar, gelo, ia, papel, etc., são isolantes térmicos, isto é, conduzem mal o calor.\n\ncapítulo 3 TERMODINÂMICA\n71 FÍSICA NO CONTEXTO\n\nCONDUÇÃO DE CALOR\n\nA temperatura do nosso corpo é geralmente mantida em torno de 36°C, enquanto o ambiente é, em geral, inferior. Por esse motivo, há uma contínua transmissão de calor de nosso corpo para o ambiente. Se a temperatura do ambiente for muito baixa, essa transmissão acontece com maior rapidez, provocando, em nós, a sensação de frio. Os sinais têm uma sensação por isso feitos de materiais isolantes térmicos (03, por exemplo), reduzindo, assim, a quantidade de calor que é transmitida do nosso corpo para o exterior [FIGURA 3.4].\n\nÉ interessante para poder ser referido que, em dias frios, as aves erguem suas penas, de modo a manter, entre elas, camadas de ar, e assim, é bom isolante térmico [FIGURA 3.5].\n\nRecebendo calor, a água se torna um pedaço de metal em um pedaço de madeira, embora numa mesma temperatura mais baixa que a do nosso corpo, o metal nos dá a sensação de estar mais frio do que a madeira. Na realidade, porque o metal melhor conduz o calor, a água se torna menos densa e menos fria do que a peça de madeira. Essa, se mede a partir da nossa proteção, possa ser facilmente desfeita. Assim, se o metal e a madeira esfriarem, não se pode recomendar, mas a do que a nossa água se reflete através da nossa pele, portanto, se tocar em uma superfície metálica que esteja exposta ao sol.\n\nFIGURA 3.4. Uma pessoa sente frio ao perder calor rapidamente para o meio ambiente.\n72 FÍSICA NO CONTEXTO\n\nCORRENTES DE CONVEÇÃO\n\nPodemos encontrar, em nossa vida diária, várias situações em que as correntes de convecção desempenham um papel importante. Em uma geladeira ocorre a formação de correntes de convecção. Na parte superior, as camadas de ar, em contato com o congelador, cedem calor ao ar por condução. Por causa disso, ao darem-se mais densas se dirigem-se para a parte inferior de geladeira, enquanto as camadas da dessa parte se deslocam para cima [FIGURA 3.7]. Essa circulação é, causada pela convecção, faz com que a temperatura seja, aproximadamente, a mesma em todo o interior de geladeira.\n\nNos fogões a lenha o aquecimento de água seja por meio do fenômeno da convecção. A água fria, vindas da caixa, circula através de uma serpentina colocada no interior do fogão [FIGURA 3.8]. Recebendo calor, a água aquecida torna-se menos densa e volta à caixa, subindo pelo tubo por meio de canalização, como mostra a figura. Esse processo é usado em muitas casas antigas, em fazendas, por exemplo, que não possuem aquecedores elétricos.\n\nA formação dos ventos, que, como vimos no estudo da dilatação (seção 1.2), se deve a variação da densidade do ar, nada mais é do que o resultado de correntes de convecção que ocorrem na atmosfera; em muito discutido também nos comentários da seção 1.2. As correntes de convecção na atmosfera, ao se moverem para cima (ar mais quente), costumam ser aproveitadas por alguns pássaros, e também por pilotos de aviões planeadores (sem motor) e de asas-deltas para garantir altura, planando em seguida (perdendo atitude), até encontrar outra corrente de convecção ascendente. No caso dos dispositivos de voo, torna-se possível percorrer enormes distâncias sem consumo de combustível [FIGURA 3.9].\n\nFIGURA 3.9. As correntes de convecção na atmosfera são aproveitadas pelos pilotos de asas-deltas em seus voos.\n73 RADIÇÃO\nSuponha que uma fonte de calor (uma lâmpada de filamento incandescente, por exemplo) seja colocada no interior de uma campânula de vidro, onde se fez vácuo [FIGURA 3.10]. Um termômetro, situado no exterior da campânula, acusará elevação de temperatura, mostrando que houve uma transmissão de calor através do vácuo existente entre a lâmpada e o exterior. Evidentemente, essa transmissão não pode ser feita por condução ou por convenção, pois esses processos só podem ocorrer quando há um meio material através do qual o calor é transmitido. Nesse caso, a transmissão de calor é feita por um processo, denominado radiação térmica. O calor que recebemos do Sol chega até nós por esse mesmo processo, uma vez que entre o Sol e a Terra existe vácuo.\nTodos os objetos aquecidos emitem radiações térmicas, que ao serem absorvidas por outro objeto, provocam nele uma elevação de temperatura. Essas radiações são constituídas de ondas eletromagnéticas, que serão estudadas no capítulo 8 do volume 3. Toda a radiação é emitida com velocidade do luz, igual a 3,00 × 10^8 m/s. A luz visível, que percebemos, e a radiação infravermelha, a radiação ultravioleta, as raios X e as raios gama. Que diferencia esses vários tipos de onda eletromagnética é apenas sua frequência de vibração. Mesmo no caso da luz, as várias cores correspondem a frequências diferentes. O tipo predominante da radiação que transporta o calor pode variar, dependendo da temperatura do objeto aquecido, como podemos verificar na nova, sobre radiação térmica. Um objeto numa temperatura próximo ao zero Kelvin emite radiação térmica predominantemente na região das micro-ondas. Na temperatura ambiente, cerca de 300 K, a emissão se situará praticamente no infravermelho. Um objeto a 1 000 K irradiará a maior parte de energia no infravermelho, mas a seguinte em nível visível, com uma luz avermelhada. O Sol, a 5 800 K, emite luz branca (45% da energia irradiada), além de irradiar também no infravermelho (45%) e no ultravioleta (10%). No centro de uma explosão nuclear, em que as temperaturas são extremamente elevadas, a maior parte da radiação se encontra na região dos raios X, mas também são emitidas grandes quantidades dos vários tipos de radiações, indicando a radiação gama. De um modo geral, o calor que uma pessoa recebe está próximo de um objeto quente e segue entre os três processos: condução, convecção e radiação. Quanto maior for a temperatura do objeto aquecido, maior será a quantidade de calor transmitida por radiação, como acontece quando estamos próximo a um aquecedor. FÍSICA NO CONTEXTO\nABSORÇÃO E REFLEXÃO DA RADIÇÃO TÉRMICA\nQuando a radiação térmica incide em um objeto, parte dela é absorvida, e parte é refletida por ele. Os objetos escuros absorvem a maior parte da radiação que neles incide, e por isso que um objeto negro, colocado ao sol, tem a sua temperatura sensivelmente elevada. Por outro lado, os objetos claros refletem quase totalmente a radiação térmica incidente. Por isso, nos climas quentes, as pessoas usam frequentemente roupas claras [FIGURA 3.14]. Você já deve ter percebido, ao andar descalço em um ambiente ensolarado, que existe uma grande variação de temperatura entre pisos claros e escuros, sendo que o material de ambos seja o mesmo - como a cerâmica. Essa é outra aplicação das ideias aqui discutidas.\nEMISSÃO DA RADIÇÃO TÉRMICA\nA lâmpada de filamento incandescente geralmente utilizada em nossa casa opera numa temperatura de около 3 000 K. Apenas o objeto de vidro não irá iluminar o ambiente, e de radiação térmica predomina nessa temperatura a radiação infravermelha. Apenas cerca de 10% da energia é irradiada no visível. Entretanto, isso é um motivo muito justificado, do ponto de vista econômico, a substituição deste tipo por de outros. Por outro lado, a descarga elétrica numa luz fluorescente, que em sua essência é o mesmo, se ampliando assim a emissão de radiação térmica atual disfarçado. Assim, ao se fazer uma iluminação fluorescente como \"luz fria\", ela não causaria a aquecida do ambiente na região do infravermelho. Um dispositivo comum, utilizado para acender lâmpadas ou acionamentos, é o sensor infravermelho de presença, que detecta variações na radiação infravermelha, ocasionadas quando uma pessoa, por exemplo, passa à sua frente. Como já foi comentado, também o ambiente a nossa volta está emitindo radiação térmica na faixa do infravermelho. Mas, como mamíferos, nossos corpos estão ligeiramente mais quentes, isso fará com que irradiemos mais que o ambiente, geralmente mais frio. APLICAÇÕES DA FÍSICA\n\nAquecimento solar térmico\n\nUm exemplo ilustrativo dos vários mecanismos de transmissão do calor, discutidos no texto, ocorre no coletor solar para aquecimento de água, utilizado cada vez mais em nossas casas. A FIGURA 3.16 apresenta o esquema de funcionamento de um sistema de aquecimento solar e detalhes do coletor solar. A radiação térmica que incide, proveniente do Sol, atravessa uma placa de vidro e absorveida superficialmente metálica negra do coletor, que se aquece. O calor é conduzido para tubos por onde circula água. A água fria que entra por baixo, ao observar o calor, sobe pela tubulação, por convecção, sendo armazenada em um reservatório localizado acima do coletor.\n\nA função da placa de vidro mencionada é criar o efeito estufa, que aumenta consideravelmente a eficiência do coletor solar. Isso acontece porque o vidro apresenta a propriedade de deixar passar a luz visível proveniente do Sol e bloquear para abaixo a radiação infravermelha emitida pelo próprio coletor, por estar aquecido. Você já deve ter se exposto ao sol e notado como, ao ficar um tempo, como os vidros refletem a luz e ainda você não se ilustra sobre essa energia na faixa do infravermelho. Como essa radiação não escapa, gera aquecimento para esta parte metálica e superfície metálica e também condutivamente melhora a superfície metálica do coletor e a energia se faz presente. \n\nFIGURA 3.17. Galpão com cobertura transparente usado principalmente em países de clima frio para aclimatar plantas tropicais.\n\nO uso dos coletores solares está cada vez mais difundido, tendo em vista a economia de energia que eles representam, seus baixos custos de manutenção e sua eficiência, que é tipicamente de ordem de 60%. Isso significa que 60% da radiação solar incidente é utilizada para aquecer a água. Além disso, é uma energia \"limpa\", já que não agride o meio ambiente.\n\nQUESTÕES\n\nPor ter a maior parte de seu território situado na região tropical do planeta, o Brasil tem um potencial energético solar muito grande. No entanto, ainda aproveitamos muito pouco a energia proveniente do Sol e suas variadas possibilidades de uso.\n\na) Pesquise sobre as diversas aplicações práticas da energia solar e sugira duas delas para serem utilizadas na sua escola ou em sua residência.\n\nb) Compare o funcionamento do aquecedor solar (FIGURA 3.16) com o efeito de estufa de plantas ilustrada na FIGURA 3.17.\n\n77