De que somos feitos:
O modelo Atomista da matéria
O modelo Atomista da matéria
Comumente falando, matéria é tudo que possui átomos e outras
partículas que possuem massa. Esse é na verdade o modelo atomista da matéria,
na qual todas as coisas são formadas por átomos.
Qualquer criança é capaz de definir três estados da matéria:
Sólido, Líquido e gasoso. Mas para um
estudioso do segundo grau devemos ainda acrescentar o Plasma. Contudo, após a
evolução também descobrimos o estado Condensado Bose-Einstein e o Condensado
fermiônico, que antes eram apenas teóricos.
Assim temos os seguintes estados: Sólido, Líquido, Gasoso e
Plasma (que todos devem conhecer) além de Condensado Bose-Einstein, Condensado
fermiônico, Plasma de quarks-glúons (Considerando a matéria como partícula
elementar). Um corpo pode mudar de estado físico, conforme aumento ou redução
de sua temperatura. Também como parte de
um processo maior de estudo é importante diferenciar cada mudança conforme
aumento ou redução de temperatura, além de memorizar seus nomes. O diagrama a seguir visa facilitar um pouco
este processo:
Para a física que estudamos, não importa apenas
nomes e mudanças mas seu significado real.
Claro que, além da aparência podemos considerar os espaços entre as
moléculas em cada estado. No sólido
vemos um menor espaço entre as moléculas. No líquido um espaço maior que o
sólido e menor que o gasoso. No estado
gasoso as moléculas encontram-se mais afastadas.
Por muitos anos acreditávamos que a matéria era formada por
peças, como de quebra cabeças. Contudo descobriu-se que os objetos eram feitos
de moléculas e as moléculas eram feitas de átomos, e os átomos por partículas menores
(subatômicas) chamadas de prótons e Elétrons. Assim, por dedução podemos
definir:
MATÉRIA = Prótons + Neutros + Elétrons (o que constituem o
átomo e as moléculas também).
No átomo, os prótons e nêutrons, formam o núcleo, sendo
orbitado (como nos planetas) pelos elétrons. Ou seja, mantém um movimento
contínuo certa vibração interna. Definimos ainda, com base em suas cargas
elétricas, a diferença entre estes elementos do átomo da seguinte forma:
·
Prótons: carga elétrica positiva
·
Elétrons: carga elétrica negativa
·
Nêutrons: não possuem carga elétrica
Na Física e na Química a matéria possui as mesmas
propriedades das ondas e das partículas.
Mas, especificamente na física definimos e estudamos na parte chamada de
mecânica quântica.
E qual a importância de falar sobre a matéria em todos estes
anos que já estudamos e também agora? Ora, é bem simples, todas as coisas são
formadas por ela, inclusive nós mesmos. Podemos
dizer que somos todos formados por átomos assim como tudo que nos cerca e como
tal seguimos as mesmas leis da Física e da Química.
Ou então leia: http://www.terra.com.br/noticias/ciencia/infograficos/evolucao-da-fisica-de-particulas/
Então tudo vibra?
Diferença entre calor e temperatura
Diferença entre calor e temperatura
Levando-se em consideração o modelo do átomo, onde os
elétrons estão “orbitando” em torno dos prótons e nêutrons, podemos pensar que
sim, tudo está em constante movimento. Mas pensar nisto significa alguma
coisa? Para a Física e Química sim!
Esta movimentação ou vibração em um nível atômico é utilizada
para explicar ocorrências normais de nossa vida cotidiana, como por exemplo, a
temperatura que sentimos. Conforme a
velocidade de vibração dos átomos de um corpo este corpo pode estar “quente” ou
“Frio”.
·
Um corpo quente:
Muita vibração atômica.
·
Um corpo mais frio: pouca vibração atômica.
Temperatura
é a grandeza física associada à quantidade de vibração do átomo no corpo.
Isto não significa que quando você está “com calor” seus
átomos estão com muita vibração, isto porque calor não é igual a temperatura.
Calor é a troca de energia térmica entre os
corpos de um ambiente
Assim temperatura e calor estão associados, mas
não significam o mesmo. Enquanto a
temperatura está relacionada à vibração de um corpo, o calor está relacionada a
“troca de temperaturas” por assim dizer.
Se todos os corpos em um ambiente estiverem à mesma temperatura, não há
calor.
Considere que você com sua temperatura corporal de 36ºC está em
uma praia onde a temperatura também é 36ºC.
A esta temperatura você certamente estará com o que você chama de “calor”
até mesmo suando. Mas para a física não
existe nenhum calor no ambiente, afinal todos os corpos estão com 36ºC.
Agora você num clima de 14ºC com a temperatura de 36ºC estará
com “frio”, mas para física, neste ambiente há o calor. Isto porque a pessoa está transmitindo
temperatura para o ambiente. Esta
transmissão de temperatura é chamada de calor.
Calor não é a sensação térmica, mas a troca de
“temperatura”.
Portanto é incorreto afirmar, por exemplo, que a água quente
tem mais calor que a água fria. A água
quente tem maior temperatura que a água fria. Em muitos livros, especialmente
os mais antigos, você lerá que “A água quente perde calor para a água
fria”. Quando isto ocorrer você deverá
interpretar o significado pelo contexto, ou seja a água quente transmite a
energia térmica, para a água fria, em forma de calor.
Vamos trabalhar:
Um olhar científico para a geladeira:
·
Vamos fazer uma pesquisa teórica, com o foco no
que aprendemos sobre o calor e os átomos
·
A geladeira:
1. O que ocorre quando colocamos alimentos na geladeira?
2. Quando um corpo “congela” o que ocorre com seus átomos?
3. Porque o congelador fica no alto da geladeira?
4. Porque não podemos ficar com a geladeira aberta por muito
tempo?
5. Com o ar condicionado de casas ocorre o mesmo que com a
geladeira?
·
Apresentação:
1. em forma portfólio explicativo, com gravuras e dicas.
2. Não esqueça a capa no modelo da escola.
Calor e Trabalho
Transformações importantes para todos
Para darmos continuidade devemos lembrar mais uma vez sobre
um dos conceitos importantes da física “o conceito de trabalho”:
Trabalho é uma medida da energia transferida pela
aplicação de uma força ao longo de um deslocamento.
Quando “empurramos” um objeto ou corpo existe o
trabalho. Quando uma partícula empurra outra
também temos o trabalho. Isso que dizer
que quando uma partícula empurra a outra parte de sua energia passa para
outra.
A troca de calor funciona da mesma forma fazendo do calor um
tipo de energia: a energia térmica ou um tipo de energia cinética. Fica claro
que quando à troca de calor, temos a transferia de energia de corpos o que
corresponde a definição de trabalho. E é claro que este trabalho não poderia
ser desperdiçado. Foi assim que tivemos a
invenção de máquinas térmicas, provocando grandes mudanças na sociedade.
Contudo, o conceito geral foi aproveitado por Heron
que inventou um aparelho que aproveitava o vapor da água para produzir o
movimento de uma esfera de metal, já no século I d.C.. Assim, ele já era capaz de aproveitar o calor
transformando-o em energia térmica e a energia térmica em trabalho mecânico.
Seguiu-se então à criação de diversos tipos de máquinas
térmicas que, até o século XVIII apresentavam um baixo rendimento. Somente em 1770 o escocês James Watt
criou um modelo que funcionava a partir de ciclos retirando o calor da fonte,
aproveitando parte e descartando o restante.
Com estas mudanças o aproveitamento mais eficiente
proporcionou um aumento na produção devido ao uso destas máquinas na indústria.
Imagine, por exemplo, antes para transportar os produtos a longa distância era
necessário o uso de carroças e cavalos... depois da invenção da locomotiva a
vapor a distribuição tornou-se mais fácil pois era possível percorrer longas
distâncias em menor tempo carregando maior peso. Em diversos gêneros a produção
e distribuição de diversos gêneros sofreu uma mudança drástica. Tornou-se mais rápido produzir e entregar os
produtos, pois não seria mais necessária a força de tração animal nem humana
para realizar o trabalho.
A figura ajuda a entender o princípio de funcionamento das
máquinas térmicas. Nela podemos perceber que a máquina recebe calor da fonte e
gera o trabalho. Mas infelizmente nem todo calor é aproveitado e parte dele
acaba sendo desperdiçado ou “liberado” na fonte fria. Assim não temos uma
máquina que aproveite 100% da energia e infelizmente a eficiência delas está
sempre abaixo de 100%.
Saiba mais: http://www.brasilescola.com/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm
Vamos trabalhar:
Um olhar histórico para as máquinas térmicas
·
Pesquisa teórica sobre as máquinas térmicas:
1. Quais aspectos positivos observamos com o uso de máquinas
térmicas?
2. Quais aspectos negativos observamos com o uso de máquinas
térmicas?
3. Cite alguns exemplos de máquinas térmicas atuais (foque em
algo que você não sabia)
·
A revolução industrial teve relação com o uso de
máquinas térmicas:
1. Quais máquinas foram primeiramente implementadas na
indústria?
2. Qual impacto isso causou no período?
3. O que houve com os trabalhadores na época?
·
Links de referência:
Máquinas térmicas
Trabalho e rendimento
Trabalho e rendimento
Como pudemos ver anteriormente, a humanidade aproveita o
calor para realizar trabalho. Mas para ficar em um conceito mais físico, a
humanidade utiliza a energia térmica para transforma-la em energia
mecânica. Apesar de ser fácil de entender
não é fácil de realizar já que tal transformação não é natural ou
espontânea. Este tipo de transformação
depende sempre de aparelhos e mecanismos, por este motivo o rendimento das
máquinas térmicas é sempre baixo.
Para compreender bem como funciona uma máquina térmica
devemos ter sempre em mente a segunda lei da termodinâmica, então memoriza-la é
formal, porém bem importante:
Uma
máquina térmica operando
em ciclos, ao
retirar calor de uma fonte quente
utiliza parte dele para realizar trabalho e o restante rejeita para uma fonte
fria.
Na prática, uma máquina térmica “pega” o calor de um lugar
qualquer (que chamamos de fonte quente), utiliza parte dele em um motor, por
exemplo, e o excedente é simplesmente descartado (em uma fonte fria) ou perde.
Veremos então as fórmulas a serem trabalhadas:
1 - Formula de trabalho, na máquina térmica:
Na qual:
à Trabalho (Joule – J) também é representado por W.
Atenção: Como trabalho e calor são energias
tocadas, a unidade de medida é o Joule, que representa sempre energia.
Exemplo 01: Uma máquina térmica temos na fonte quente 6KJ de
entrada e na fonte fria, ao final do ciclo, temos uma saída de 420J. Considerando que toda a energia passou a ser
trabalho, qual o trabalho realizado?
2 – Fórmula de Rendimento de uma máquina térmica:
Também é chamado eficiência de uma máquina
térmica e indica quanto “trabalho”
é
realizado com a energia térmica cedida (Q1). Matematicamente é expresso pela fórmula:
Em geral o rendimento das máquinas é baixo:
·
Motores de automóveis rendem em média 22%;
·
Motores a diesel rendem em média 25%;
·
Grandes turbinas a gás da ordem de 33%.
·
O motor de Stirling tem um dos maiores
rendimentos, podendo chegar a 40%.
Atenção: Nenhuma máquina térmica atual atinge um rendimento igual
a 100% ou superior. Máquinas térmicas com estas características são apenas
“imaginárias” chamadas assim de máquina térmica ideal, pois não haveria
desperdício de energia.
Exemplo 02: Em uma
máquina térmica são fornecidos 3kJ de calor pela fonte quente para o início do
ciclo e 780J passam para a fonte fria. Qual o trabalho realizado e pela máquina
e seu rendimento, se considerarmos que toda a energia que não é transformada em
calor passa a realizar trabalho?
1º Parte: O trabalho (deve ser sempre calculado para chegar
ao rendimento)
|
|
Está relacionada a primeira lei da termodinâmica que afirma:
“A energia total transferida para um sistema é igual à variação de sua energia
interna, ou seja, em todo processo natural, a energia do universo se conserva
sendo que a energia do sistema quando isolado é constante.” Matematicamente:
Exemplo 03: Um gás
realiza um trabalho de 400J quando recebe do meio externo 500J de calor. Qual a
variação de energia interna nesta transformação?
|
|
Atividades 01
Questão 01 – Em uma ambiente estão cinco pessoas, cujas
temperaturas são de aproximadamente 35ºC.
A sala encontra-se com o ar condicionado ligado mantendo a temperatura
25ºC. Explique se neste ambiente existe calor:
Questão 02 – Quais os
estados físicos mais comuns em que encontramos a matéria?
Questão 03 – Cite as
partes nas quais podemos dividir a matéria e a carga elétrica que cada uma
possui:
Questão 04 – Qual
temperatura é considerada zero absoluto? Quanto ela vale em outras escalas?
Questão 05 – Porque
alimentos como leite e carne devem ser guardados na prateleira mais alta da
geladeira?
Questão 06 – Em nível
atômico como funciona as diferentes temperaturas?
Questão 07 – Quando
um corpo quente “perde” calor para um corpo frio, o que significa?
Questão 08 – Como
funciona uma máquina térmica?
Questão 09 – O que
ocorre com o calor não utilizado em uma máquina térmica?
Questão 10 – Cite
quatro exemplos de máquinas térmicas que revolucionaram a nossa sociedade:
Questão 11 – Cite um
exemplo de máquina térmica com 100% de aproveitamento
Questão 12 – A fonte
de calor de uma máquina térmica transmite 5000 Joules de trabalho realizado. Se na saída temos apenas 600 Joules, qual foi
o trabalho desta máquina?
Questão 13 – Uma
fonte fria recebe 400J de uma máquina
com 50J de rendimento. Qual o valor da
fonte quente?
Questão 14 – Uma
máquina térmica realiza um trabalho de 20J.
Sabendo que a fonte quente fornece 40J de calor, qual o rendimento desta
máquina?
Questão 15 – Se o
trabalho de uma máquina térmica é de 8J e seu rendimento é de 25% quanto foi a
entrada de calor pela fonte quente?
Questão 16 – São
fornecidos 300J pela fonte quente, em uma máquina térmica com rendimento de
10%. Calcule o trabalho realizado pela máquina térmica neste caso.
Questão 17 – Em uma
máquina térmica são fornecidos 4kJ de calor pela fonte quente para o início do
ciclo e 1KJ passam para a fonte fria. O rendimento, se considerarmos que toda a
energia que não é transformada em calor passa a realizar trabalho?
Questão 18 – Uma
máquina térmica tem rendimento de 20% com trabalho de 60J sendo realizado por
ela. Determine a temperatura de saída na
fonte fria.
Questão 19 – Um gás
recebe do ambiente 600J de calor quando realizado um trabalho de 250J. Qual a variação de energia interna deste gás?
Questão 20 – Um uma
variação de energia interna de 300J um gás realizada um trabalho de 800J. Qual
a energia recebida do meio?
3 - Calor
sensível e Calor Latente
Vamos voltar a falar sobre calor. Já falamos que o calor é a troca de energia
entre corpos. Agora vamos trabalhar os diferentes aspectos do calor.
Calor sensível: Calor sensível é a quantidade de calor
necessária para variar a temperatura de um corpo sem que haja variação do
estado físico da matéria, ou seja, se um corpo está no estado sólido, sua
temperatura pode variar para mais ou para menos e seu estado de agregação das
moléculas continua o mesmo (sólido).
A equação que mede a quantidade de calor cedida
ou recebida por um corpo é:
Colocaremos agora uma tabela com o calor
específico de algumas substâncias para nossos cálculos futuros, quando estes
não forem dados nos problemas:
Substância
|
c
(cal/g°C)
|
c
(J/KgºC)
|
Alumínio
|
0,215
|
900,16
|
Água
|
1,000
|
4186,8
|
Álcool
|
0,590
|
2470,21
|
Cobre
|
0,093
|
389,37
|
Chumbo
|
0,031
|
129,79
|
Estanho
|
0,055
|
230,27
|
Ferro
|
0,119
|
498,23
|
Gelo
|
0,550
|
2302,74
|
Mercúrio
|
0,033
|
138,16
|
Ouro
|
0,031
|
129,79
|
Prata
|
0,056
|
234,46
|
Vapor
d'água
|
0,480
|
2009,66
|
Zinco
|
0,093
|
389,37
|
Tenha atenção as unidades de medida que você está
trabalhando, e o calor específico que foi dado. Se o calor estiver em cal/g°C – Colorias dividido por grama X
Celsius - ou J/KgºC
– Joule dividido por Quilo X Celsius – você deverá converter o peso de quilos
para gramas ou vice versa.
Atenção: A maior parte dos problemas que serão
trazidos pelos livros trazem a cal (caloria) como referência para a elaboração
de trabalhos e exercícios.
Já o calor latente é a quantidade de calor
necessária para se variar o estado físico da matéria sem variar a temperatura.
Acontece, por exemplo, no derretimento do gelo, onde podemos analisar a água no
estado líquido e no estado sólido à mesma temperatura. Essa temperatura é
chamada de temperatura de fusão do gelo, que em condições normais de
temperatura e pressão corresponde a 0º C ou 273 K (SI).
O calor latente pode ser calculado usando a
equação:
Q = m.L
Onde:
L = calor latente
Q = quantidade de calor
m = massa da substância
No sistema internacional (SI), o calor latente é
dado em J/kg.
Exemplo 02: Um corpo de massa 6g em estado sólido, é
aquecido até o ponto de fusão. Sabendo que o calor latente do corpo é de 35
cal/g, determine a quantidade de calor recebida pelo corpo.
m = 6g Q
= m.L
L = 35 cal/g Q
= 6.35
Q = 210 cal
Atividades 02
Questão 01 – Qual a quantidade de calor sensível necessária para aquecer uma barra de
alumínio de 1,5kg de 10°C para 150°C? Dado: calor específico do alumínio = 0,2 cal/g°C.
Questão 02 – Calcule a quantidade de calor sensível necessária para aquecer 400g de
água de 20ºC para 80ºC:
Questão 03 – A
quantidade de calor sensível para que 600g de uma substância mude de 110ºC para
120ºC é de 3Kcal. Determine o calor
específico desta substância:
Questão 04 – Uma
substância tem uma variação de 25ºC quando recebe 4,5Kcal. Calcule a massa desta substância sabendo que
seu calor específico é de 0,6 cal/g°C:
Questão 05 – Qual a
quantidade de calor sensível para que uma barra de 300g de cobre passe de um
300ºC para 250ºC, dado ccobre = 0,09 cal/g°C:
Questão 06 – Um corpo de massa de 10g é aquecido até chegar ao ponto de
fusão. Sabendo que o Calor latente do
corpo é 20 cal/g calcule a quantidade de calor recebida pelo corpo:
Questão 07 – Inicialmente em estado líquido, um corpo com massa igual a
40g, é resfriado e alcança devido ao resfriamento o estado de fusão. Sabendo
que a quantidade de calor é 1200 cal, determine o calor latente de fusão desse
corpo.
Questão 08 – Um corpo recebeu 3Kcal de calor até chegar ao ponto de
fusão. Sabendo que a massa desse corpo é
150g, determine seu calor Latente.
Simulados e preparatórios
Questão 01 – Ao representarmos 95ºF em Kelvin encontramos:
(A)
35K
(B)
95K
(C)
136K
(D)
234K
(E)
308K
Questão
02 – Prótons, Elétrons e Neutros, são os
“formadores” dos átomos que por sua vez formam o que chamamos de:
(A)
Condensado Bose-Einstein
(B)
Calor sensível
(C)
Matéria
(D)
Massa
(E)
Mol
Questão
03 – Durante os experimentos realizados para
desenvolver uma máquina térmica o engenheiro responsável apurou que na fonte
quente havia a entrada de 5KJ com
liberação na fonte fria de apenas 400J.
Neste caso, o trabalho realizado pela máquina é:
(A)
0KJ
(B)
5400J
(C)
4600J
(D)
405J
(E)
5,4KJ
Questão
04 – Um dos impactos mundiais, provocados
pela criação das máquinas térmicas foi:
(A)
A invenção dos termômetros mais precisos.
(B)
A II Guerra Mundial e Guerra do Vietnã.
(C)
A Revolução Industrial.
(D)
A Evolução médica.
(E)
A invenção da prensa modernizando
publicação de livros.
Questão
05 – Em um ambiente controlado um gás realiza um trabalho de 500J quando
recebe do meio externo 650J de calor. Neste caso, a variação de energia interna
do gás para realizar o trabalho foi:
(A)
1150J
(B)
150J
(C)
-150J
(D)
1,5KJ
(E)
-1,5KJ
Questão
06 – A vibração atômica é a provocado do
calor, no conceito físico. Este calor é
uma forma de corpos em um mesmo ambiente trocarem:
(A)
Energia
(B)
Estática
(C)
Eletrostática
(D)
Fluidos
(E)
Plasma
Questão
07 – O trabalho que uma máquina térmica
realiza é de 20% com entrada de calor na ordem de 200J. Com base nestes valores podemos firmar que o
trabalho realizado foi de:
(A)
400KJ
(B)
400J
(C)
40KJ
(D)
40J
(E)
4KJ
Questão
08 – Para variar em a temperatura de um corpo
sem mudar o estado físico da matéria utilizamos o que é chamado de:
(A)
Escala Celsius
(B)
Escala Kelvin
(C)
Calor Sensível
(D)
Calor Latente
(E)
Calorimetria
Gabaritos:
Atividades 01
Questão 01: Sim, pois
calor é a troca de temperaturas...
Questão 02: Líquido, sólido, gasoso e menos comum o Plasma
Questão 03: Prótons (+), Elétrons (-) e Neutrons.
Questão 04: Zero Kelvim – 0K ou -273ºC ou -459,4ºF
Questão 05: Porque lá a temperatura será mais baixa devido a proximidade com o congelador.
Questão 06: As diferentes temperaturas estão relacionadas a “quantidade de vibração” de um corpo.
Questão 07: Significa que ele transmitiu parte de sua energia térmica para outro.
Questão 08: Absorve o calor da fonte quente, realiza trabalho e elimina o restante na fonte fria.
Questão 09: Este calor é desperdiçado.
Questão 10: a resposta depende de pesquisa individual de cada um.
Questão 11: Não existe este tipo de máquina térmica.
Questão 12:
= 4400J
Questão 13: Q1 = 450J
Questão 14:
= 50%
Questão 15: Q1 = 32J
Questão 16:
= 30J
Questão 17:
= 75%
Questão 18: Q2 = 240J
Questão 19:
= 350J
Questão 20: Q = 1100J
Questão 02: Líquido, sólido, gasoso e menos comum o Plasma
Questão 03: Prótons (+), Elétrons (-) e Neutrons.
Questão 04: Zero Kelvim – 0K ou -273ºC ou -459,4ºF
Questão 05: Porque lá a temperatura será mais baixa devido a proximidade com o congelador.
Questão 06: As diferentes temperaturas estão relacionadas a “quantidade de vibração” de um corpo.
Questão 07: Significa que ele transmitiu parte de sua energia térmica para outro.
Questão 08: Absorve o calor da fonte quente, realiza trabalho e elimina o restante na fonte fria.
Questão 09: Este calor é desperdiçado.
Questão 10: a resposta depende de pesquisa individual de cada um.
Questão 11: Não existe este tipo de máquina térmica.
Questão 12:
Questão 13: Q1 = 450J
Questão 14:
Questão 15: Q1 = 32J
Questão 16:
Questão 17:
Questão 18: Q2 = 240J
Questão 19:
Questão 20: Q = 1100J
Atividades 02
Questão 01: Q = 42 Kcal
Questão 02: Q = 24Kcal
Questão 03: c = 0,5 cal/gºC
Questão 04: m = 300g
Questão 05: Q = - 1350cal
Questão 06: Q = 200cal
Questão 07: L = 30cal/gºC
Questão 08: L = 20 ca/gºC
Questão 02: Q = 24Kcal
Questão 03: c = 0,5 cal/gºC
Questão 04: m = 300g
Questão 05: Q = - 1350cal
Questão 06: Q = 200cal
Questão 07: L = 30cal/gºC
Questão 08: L = 20 ca/gºC
Simulados e preparatórios
Questão 01: E
Questão 02: C
Questão 03:C
Questão 04: C
Questão 05: B
Questão 06: A
Questão 07: D
Questão 08: C
Questão 02: C
Questão 03:C
Questão 04: C
Questão 05: B
Questão 06: A
Questão 07: D
Questão 08: C
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Estarei fazendo a correção então identifique:
Nome da Escola, Turma, Nome e Número dos alunos. Sem estas informações não poderei fazer as corrreções.