2011 volume 2 cadernodoaluno fisica ensinomedio 2aserie gabarito[1]

Gabarito - Caderno do Aluno

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SITUAO DE APRENDIZAGEM 1 O EQUIVALENTE MECNICO DO CALOR

Pginas 3-6

1. Se tudo correr bem, depois de girar o tubo cem vezes, a temperatura final dos chumbinhos dever se elevar bastante e, muitas vezes, ser possvel chegar a um valor razovel para o equivalente mecnico (4,18 J/cal). Contudo, caso no seja possvel aproximar-se desse valor, interessante trabalhar com os alunos possveis fontes de problemas, principalmente aquelas relacionadas s trocas de calor. Nesse caso, discuta sobre a vedao feita, o material do tubo, a forma de medir a temperatura etc. Pea que eles proponham melhorias para aumentar a preciso da medida. 2. Espera-se que os alunos identifiquem e expliquem, nesse processo, as transformaes de energia potencial gravitacional dos chumbinhos em energia cintica quando estes caem pela extenso do tubo. Ao colidirem com a tampa do tubo, essa energia convertida em energia de vibrao das molculas, manifestando ento um aumento na temperatura. Tal fato corrobora a compreenso do conceito de calor como energia que transita de um corpo para outro. Nesse caso, a energia advinda dos msculos do corpo faz o tubo girar e ganhar energia mecnica. Este um momento oportuno para discutir ou rediscutir o princpio da conservao de energia. 3. Quanto maior o nmero de vezes que se girar o cano, maior ser a energia potencial gravitacional transformada em energia trmica cedida aos chumbinhos. H necessidade de gir-lo tantas vezes para que o aumento da temperatura do chumbinho seja significativo. 4. Como j foi dito anteriormente, nesse processo ocorre transformao de energia potencial gravitacional (mecnica), devido queda dos chumbinhos, em energia cintica representada pelo seu movimento na extenso do cano. Aps a coliso nas extremidades do tubo, parte dessa energia transformada em energia trmica,

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manifestada pelo aumento da temperatura. Ao final do processo, podemos resumir dizendo que houve transformao de energia mecnica em energia trmica. 5. Quando se conhece o calor especfico do material e sua massa, a quantidade de calor produzido durante o impacto pode ser determinada pela mudana na temperatura por meio da relao Q = m . c . t. Se considerarmos que toda a energia potencial (m . g . h) transformada em calor (hiptese a ser levantada), pode-se determinar a relao entre trabalho e calor, chegando ao valor chamado de equivalente mecnico do calor. Assim, considerando o calor especfico do chumbinho igual a 0,031 cal/g . C, tente chegar a esse valor, j que possui a massa do chumbinho, a variao de temperatura e a altura h do tubo. Atente aos possveis fatores que implicam a preciso dos clculos, principalmente quanto a garantir que toda a energia potencial seja convertida em calor. Trabalhe com os alunos a possibilidade de aperfeioar os experimentos para obter dados cada vez mais seguros. Utilizando o calor especfico em cal/g . C, a massa em gramas e a temperatura em C, o resultado do clculo vai ser obtido em calorias (cal). A energia mecnica (energia potencial gravitacional) a ser convertida em calor dada pela relao Ep = m . g . h. Com a massa dada em kg, a acelerao da gravidade (g) em m/s2 e a altura h em metros (m), obtemos o valor de Ep em Joules (J). 6. A quantidade de calor trocado (cal) pode ser obtida por meio da relao Q = m . c . t, em que m ser a massa dos chumbinhos (em gramas), c , o calor especfico dos chumbinhos (0,031cal/g . C), e t, a variao de temperatura medida no termmetro (em C). Assim, Q ser dado em calorias (cal). Dessa forma, podemos estabelecer a relao entre calorias e Joules, ou seja, Ep (J) = Q (cal). Discuta com os alunos as hipteses consideradas para chegar equivalncia dessas duas expresses, ou seja, estamos admitindo que toda a energia mecnica (potencial gravitacional) convertida integralmente em energia trmica capaz de aumentar a temperatura dos chumbinhos. Observao (questes 5 e 6): Professor, podemos considerar que tanto o cano de PVC como o chumbinho esto inicialmente na mesma temperatura. Tomando o devido cuidado para que o chumbinho caia por toda a extenso do tubo (e no que escorregue ao longo do2


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comprimento do tubo), podemos considerar que a perda de energia devida ao atrito do chumbinho com o cano de PVC mnima. Nesse caso, a transformao de energia que prevalece a transformao da energia potencial em energia cintica. Quando o chumbinho colide com a tampa do tubo, essa energia convertida em energia de vibrao das molculas, principal responsvel pelo aumento da temperatura. 7. Na questo anterior, foi obtida apenas a relao entre energia mecnica e energia trmica. Aqui, espera-se que os alunos de fato igualem as expresses Ep (J) = Q (cal), obtendo o equivalente mecnico do calor. Para os clculos, dever ser considerado o nmero de vezes que os chumbinhos caram da altura h ao longo do tubo. Assim, a expresso final ser: Ep = Q n . (m . g . h) = m . c . t Em que n representa o nmero de vezes que os chumbinhos se chocaram com as extremidades do tubo ao percorrer a altura h.

Pgina 7

1. Espera-se que os alunos estendam a situao trabalhada e descrita anteriormente para outras situaes prticas e cotidianas em que acontecem transformaes de energia semelhantes. Dessa maneira, pode ser citado, por exemplo, o aquecimento dos pneus de um nibus devido ao atrito entre a borracha e o asfalto, fato que pode ser percebido quando se encosta a mo no pneu de um nibus que acabou de estacionar no ponto. Nesse caso, parte da energia mecnica transformada em calor. O aquecimento das peas de uma mquina eltrica devido ao atrito entre elas outro exemplo. Aqui, pode-se aproveitar para discutir com os alunos a respeito da utilizao de leos e graxas nessas mquinas para diminuir o atrito e o aquecimento das peas. 2. De forma anloga situao dos chumbinhos, a energia, neste caso, veio da pessoa que transmite energia para o martelo na forma de energia potencial e cintica (ergue-se o martelo para depois golpe-lo contra o prego). Ao bater no prego, parte dessa energia transmitida, na forma de energia cintica (o prego se move, conseguindo3


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penetrar na superfcie) e parte na forma de calor, da o aquecimento. Parte dessa energia ainda se transforma em energia sonora (barulho da martelada).

Pginas 8-9

1. O objeto suspenso tem energia potencial gravitacional. Quando abandonado, essa energia potencial gravitacional se transforma em energia cintica. Uma parte dessa energia usada para mover as ps (energia cintica das ps). A gua, ao ser agitada pelas ps, ganha energia cintica, e isso faz aumentar sua energia trmica e, consequentemente, sua temperatura. 2. Para a temperatura da gua subir mais, podemos aumentar o valor da massa ou aumentar a altura da queda. Nos dois casos, temos um acrscimo do valor da energia potencial (Ep = m . g . h), que ser transformada em energia cintica; uma parte dessa energia ser utilizada para mover as ps, aumentando a energia cintica da gua e, consequentemente, sua temperatura. 3. a) Supondo que o sistema seja conservativo, isto , que toda a energia potencial do objeto seja integralmente transferida para a gua e usada para elevar sua temperatura, temos: Ep = 25 . m . g . h = 25 . 6 . 9,8 . 2 = 2 940 J b) A gua recebeu 2 940 J de energia. Considerando que 1 cal = 4,18 J, neste caso, os 2 940 J correspondem a aproximadamente 703 cal. 4. Esta outra questo cujo intuito o aluno relacionar uma situao j abordada com outra (realizada por James Joule em 1840), quando foi medido o equivalente mecnico do calor. A diferena entre os dois experimentos que, ao invs de o corpo cair e aquecer a gua, como na experincia de Joule, os chumbinhos, ao carem dentro do tubo, batem nas extremidades dele e se aquecem. No caso da experincia de Joule, h maior nmero de transformaes de energia; no caso dos chumbinhos somente a energia potencial que se transforma em energia cintica: quando ocorre o choque na extremidade do tubo, gerado aquecimento.4


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Pginas 9-10

1. a) Ela dever aumentar, pois parte da energia cintica se transforma em energia trmica (calor) na coliso com a parede de ao. b) Dados: m = 0,01 kg; v = 400 m/s. A energia cintica da bala antes do choque : Ec = m . v /2 ou seja: Ec = (0,01 . 4002)/2 Ec = 800 J; como 1 cal = 4,2 J, temos: Ec = 190,5 cal c) Considerando que a energia cintica ser totalmente usada no aquecimento do projtil, teremos: Q = m . c . t = 10 . 0,031. (t 25) 190,5 = 0,31 . (t 25) (t 25) = 614,5 t = 639,5 C Analise e discuta com seus alunos se essa temperatura seria mesmo alcanada. Lembre-se de que o chumbo funde-se a 327,4 C. 2. Lembre aos alunos que, para a gua, 1 L = 1 000 g. Ento, 200 mL = 200 g. mi = 200 g (de gua) e cgua = 1 cal/g C h = 0,5 m to = 25 C tf = 100 C Considerando que toda a energia potencial da queda seja usada no aquecimento da gua, a quantidade de energia necessria para aquecer a gua at ferver ser: Q = m . c . t = 200 . 1. (100 25) = 15 000 cal Se 1 cal = 4,2 J, teremos: Q = 63 000 J A energia potencial de uma queda dentro da garrafa ser: Ep = m . g . h = 0,2 kg . 10 . 0,5 = 1 J Se uma queda fornece 1 J, para conseguir 63 000 J sero necessrias:5


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63 000/1 = 63 000 quedas. Para aquecer a gua at ferver, seriam necessrias 63 000 quedas, o que tornaria impraticvel fazer o caf dessa forma.

Pginas 11-13

Professor, o objetivo desse texto possibilitar oportunidade de trazer uma situao interessante que permita fazer os alunos perceberem a evoluo das ideias e dos conceitos a respeito da natureza do calor. Isso poder contribuir significativamente para desmistificar a cincia como algo pronto e acabado, apenas revelado a gnios. Assim, procure mostrar que foram necessrios vrios sculos para que o calor fosse tratado cientificamente como vibrao, de modo que a compreenso da natureza do calor e da temperatura, bem como a construo de teorias e modelos para esses conceitos, faz parte de um momento rico na histria da cincia. No caso dos alunos se interessarem pelo assunto, voc poder obter mais informaes no Caderno do Professor relativas a esta Situao de Aprendizagem. 1. Rumford se questionava a respeito de onde viria o calor produzido no aquecimento do metal quando perfurava blocos de ferro durante a fabricao de canhes. 2. No sculo XVIII, o calor j era um velho conhecido do pensamento cientfico. Nessa poca, contudo, imaginava-se que o calor fosse uma substncia, um fluido chamado calrico. Assim, ao colocar em contato dois corpos com temperaturas diferentes, pensava-se que essa substncia flusse de um corpo para o outro, explicando, assim, por que o mais quente se resfria enquanto o mais frio se aquece. A discordncia do modelo do calrico, de acordo com o texto, se deu a partir dos questionamentos que Rumford fez sobre a origem do calor. Ele verificou que o calor no poderia ser um fluido material, pois, mesmo com a grande intensidade de calor produzido pelo atrito, os corpos no sofriam nenhuma perda de massa, que, neste caso, seria arrancada da massa slida atritada. Depois, verificou que nem mesmo o ar poderia ser fonte do calor produzido. Isso pode ser verificado no sexto pargrafo do texto, quando ele questiona: Foi fornecido pelo ar? Este no poderia ter sido o caso, pois nos experimentos feitos com o6


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maquinrio imerso em gua, o acesso do ar proveniente da atmosfera fora completamente vedado. A seguir, no pargrafo stimo, ele questiona a origem do calor como sendo possivelmente da massa de gua que envolve o maquinrio: [...] primeiro, porque a gua recebia continuamente o calor do maquinrio e no poderia, ao mesmo tempo, dar e receber calor do mesmo corpo; e, em segundo lugar, porque no houve nenhuma decomposio qumica de nenhuma parte dessa gua. No final, ele conclui: Desnecessrio acrescentar que algo que todo corpo, ou sistema de corpos isolados termicamente, capaz de continuar a fornecer sem limitaes no pode ser uma substncia material [...], a no ser movimento.

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SITUAO DE APRENDIZAGEM 2 A MQUINA DE HERON

Pginas 13-16

1. Espera-se que os alunos levantem algumas hipteses e formulem explicaes sobre o que observaram. importante que percebam que o que faz a lmpada girar a expanso do vapor de gua aps entrar em ebulio. 2. Quando a gua entra em ebulio, o vapor de gua sai com grande presso e, devido disposio dos tubos, h o aparecimento de um torque que faz a mquina girar. 3. A partir dos conceitos abordados na Situao de Aprendizagem anterior, espera-se que os alunos possam relacionar a transformao de energia trmica (calor) em energia mecnica (energia cintica), devido rotao do bulbo da lmpada. 4. Aps a discusso sobre o surgimento do movimento do bulbo da lmpada quando o vapor de gua se expande, importante que o conceito e a definio de trabalho sejam retomados. Nesse caso, consideramos como mquina (no caso, mquina trmica) todo equipamento capaz de transformar energia trmica em trabalho til. O intuito da atividade apresentar a possibilidade de utilizar a expanso de um gs para movimentar algo. Ainda que ldica e ilustrativa, parece que a mquina de Heron foi criada para ser nada alm de uma curiosidade. Para aproveitar a mquina de Heron, necessrio aproveitar o movimento da esfera (veja a figura da pgina 13). Uma forma de fazer isso seria us-la para retirar gua de um poo. Assim, poderamos prender uma corda na esfera: ao puxar a corda, a esfera gira e a corda vai se enrolando na esfera.

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Figura pgina 13 Caderno do Aluno Mquina de Heron. Outra possibilidade seria prender a esfera a um eixo preso a rodas que girasse solidrio a ela. Assim, seria possvel construir um carro a vapor. Esses exemplos so apenas algumas possibilidades. 5. Oriente os alunos para que registrem todas as suas observaes sobre o que aconteceu no experimento, mesmo as observaes aparentemente bvias. Espera-se que os alunos associem o giro do bulbo da lmpada transformao da energia trmica em trabalho til. A partir do conceito de trabalho, espera-se que os alunos sejam capazes de responder a estas perguntas: o que realiza trabalho, o fogo ou o vapor? O que esse trabalho produz? Quais as variveis importantes para obter o valor do trabalho, ou seja, a que se relaciona? So esses os elementos principais que se espera que apaream no relatrio.

Desafio!Pginas 16-17

A fonte de calor, ao fornecer energia trmica ao gs que est confinado, faz a presso no interior do cilindro aumentar, possibilitando que o gs se expanda e realize trabalho. Assim, com o movimento do pisto para cima, h variao do volume e, neste caso, dizemos que o gs realizou trabalho devido expanso.

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Manifestaes trmicas da energiaPginas 17-18

Assim como o mbolo da seringa sobe quando fornecido calor pela gua quente ao gs no interior da seringa, o mesmo acontece com o leite ao ser fervido. Tanto no caso da seringa com gua quanto no caso do leite ocorre o mesmo fenmeno. Na seringa, o calor da gua aumenta o agito das molculas e, consequentemente, a presso no interior do tubo. J, com o leite, a fonte de calor (fogo), ao agitar as molculas, provoca a expanso do lquido. H uma fora distribuda ao longo de toda a superfcie do leite, que justamente a ideia de presso, que pode ser assim relacionada: P = F/A, em que F = fora e A = rea. Como na verdade houve tambm aumento do volume do leite, que obtido ao se multiplicar o deslocamento pela rea V = d . A), pode-se escrever o ( trabalho como o produto da presso pela variao do volume (W = P . V).

Pginas 18-19

1. Neste caso, a energia qumica (queima) do combustvel transferida para a gua na forma de energia trmica. O vapor sai produzindo um torque capaz de mover a esfera. 2. Na verdade, essa questo foi respondida anteriormente, na questo 4 da pgina 15 (a atividade do bulbo da lmpada que gira). Entretanto, neste momento, espera-se que os conceitos estejam mais formalizados e mais slidos na concepo dos alunos. Por isso, vale a pena retomar e rediscutir a questo, principalmente no caso de os alunos terem tido dificuldades anteriormente ou mesmo de no terem respondido com clareza. Observao: ver resoluo proposta na questo 4 da pgina 15 do Caderno do Aluno. 3. Tal como j foi discutido na questo anterior, pode-se usar tal dispositivo como mquina. Para isso, basta aquecer o recipiente, pois assim o gs se expande e empurra o pisto para cima, realizando trabalho.

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Pginas 19-20

1. Solicite aos alunos que faam uma breve pesquisa a respeito das mquinas trmicas. O objetivo consiste em fazer com que eles possam levantar eventuais curiosidades e conhecer um pouco da histria das mquinas trmicas, assunto que geralmente no abordado durante as aulas. 2. Ele se referia aos trens a vapor que surgiram naquele perodo. As mudanas que aconteceram naquela poca fazem parte da chamada Revoluo Industrial, perodo em que as mquinas a vapor deram incio a novas relaes sociais e de trabalho. Vale ressaltar que o assunto aprofundado na prxima Situao de Aprendizagem. 3. a) Neste caso, o trabalho pode ser calculado pela expresso W = P . V = 1,0 . 105 . 0,03 . 0,50 = 1,5 x 103 N . m b) Se esse trabalho for usado para levantar o objeto, podemos escrever que: W=m.g.h 1,5 . 103 = m . 10 . 0,5 m = 300 kg Dessa forma, esse pisto consegue erguer um corpo de 300 kg a uma altura de 50 cm do cho.

Pgina 20

1. O objetivo da leitura proporcionar que os alunos conheam e compreendam a evoluo das mquinas trmicas, principalmente a partir do sculo XVIII. Espera-se, por exemplo, que percebam e relacionem que a falta de refrigeradores e motores dos carros fez, durante muito tempo, com que o armazenamento e o transporte dos alimentos fossem dificultados. At ento, no se imaginava sequer uma mquina realizando um trabalho para o homem. A partir do surgimento das mquinas a vapor, profundas alteraes marcaram principalmente o processo produtivo da sociedade. Como exemplo, podemos citar a introduo da mo de obra assalariada, o

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deslocamento dessa mo de obra antes essencialmente concentrada nos campos para os centros urbanos e as indstrias nascentes, entre outras mudanas. 2. No final do sculo XVII, as florestas da Inglaterra j tinham sido praticamente destrudas e sua madeira, utilizada como combustvel. A necessidade de usar o carvo de pedra como substituto da madeira levou os ingleses a desenvolver a atividade da minerao. Um problema que surgiu com as escavaes cada vez mais profundas foi o acmulo de gua no fundo das minas, o que poderia ser resolvido com a ajuda de mquinas. Uma mquina foi desenvolvida para acionar as bombas que retiravam gua do subsolo de cerca de 30 m, elevando-a at a superfcie, pois as bombas antigas s elevavam a gua at 10,33 m. A partir das bombas de fogo, como eram chamadas, surgiram e foram aperfeioadas outras mquinas trmicas, entre elas os motores a exploso e os refrigeradores. Podemos dizer que a Revoluo Industrial ocorreu diretamente das construes das bombas de fogo, dando incio a profundas mudanas no setor industrial e produtivo das sociedades. Assim como j foi abordado anteriormente, as mquinas trmicas, em geral, tm seu princpio de funcionamento baseado na transformao da energia trmica em energia mecnica (energia de movimento).

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SITUAO DE APRENDIZAGEM 3 REVOLUO INDUSTRIAL E AS MQUINAS TRMICAS

Pginas 21-22

O objetivo principal desta pesquisa criar condies para que o aluno possa construir um bom texto dissertativo de maneira autnoma. O texto deve organizar e sintetizar os resultados das pesquisas. Apesar de as informaes solicitadas serem relativamente de fcil acesso por meio de sites (inclusive os sugeridos na seo Para Saber Mais) e livros, o importante fazer com que os alunos consigam descrev-las de forma sucinta e organizada, alm de perceber as influncias econmicas e sociais advindas das mquinas trmicas. Nesse texto dissertativo, podero haver diversas informaes distintas. Entretanto, espera-se que os alunos foquem o texto destacando principalmente as consequncias do processo de industrializao impulsionadas pela inveno das mquinas trmicas. Assim, os alunos podem comear o texto abordando, por exemplo, a substituio das ferramentas pelas mquinas, da energia humana pela energia motriz e do modo de produo domstico pelo sistema fabril que constituiu a Revoluo Industrial. O nome revoluo se deu em razo do enorme impacto sobre a estrutura social e econmica da sociedade, num processo de transformao acompanhado por uma grande evoluo tecnolgica. A partir da inveno das mquinas trmicas, como as primeiras mquinas a vapor, ocorreu uma grande revoluo produtiva. Com a aplicao da fora motriz s mquinas fabris, a mecanizao se difunde principalmente na indstria txtil e na minerao. As fbricas passam a produzir em srie e surge a indstria pesada (ao e mquinas). A inveno dos navios e das locomotivas a vapor acelera a circulao das mercadorias e dos produtos. A Revoluo Industrial do sculo XVIII acontece inicialmente na Inglaterra. O pioneirismo ingls se deve a vrios fatores, como acmulo de capitais e grandes reservas de carvo. Com seu poderio naval, abre mercados na frica, na ndia e nas Amricas para exportar produtos industrializados e importar matrias-primas. Sua13


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localizao, na parte ocidental da Europa, facilita o acesso s mais importantes rotas de comrcio internacional, o que permite conquistar novos mercados. Alm disso, o pas possua muitos portos e intenso comrcio costeiro. O novo sistema industrial transformou as relaes criando duas novas classes sociais, fundamentais para a operao do sistema: os empresrios (capitalistas), proprietrios de capitais, prdios, mquinas, matrias-primas e bens produzidos pelo trabalho; e os operrios, proletrios ou trabalhadores assalariados, cuja fora de trabalho vendida aos empresrios para produzir mercadorias em troca de salrio.

Pginas 23-24

1. As primeiras mquinas do sculo XVIII apresentavam baixo rendimento, ou seja, consumiam grande quantidade de combustvel e realizavam pouco trabalho. Foi por volta de 1770 que o inventor escocs James Watt apresentou um modelo de mquina que substituiu aquelas que at ento existiam, pois era mais eficiente e tinha enormes vantagens. A mquina proposta por Watt foi empregada inicialmente nos moinhos e no acionamento de bombas de gua, mas posteriormente passou a ser empregada nas locomotivas e nos barcos a vapor. Ela ainda passou a ser muito utilizada nas fbricas como meio para acionar dispositivos industriais. Esse foi um dos fatores que motivaram a Revoluo Industrial. 2. Essa uma pergunta aberta, ou seja, poder haver vrios tipos de resposta. Entretanto, importante que os alunos descrevam de forma resumida as causas dessas mudanas. Pea que analisem duas ou trs mudanas apenas, para que sobre espao para a explicao posterior. Por exemplo, suponha que um dos alunos tenha escrito que houve uma mudana na economia e nas relaes de trabalho. Neste caso, importante que ele perceba e descreva o porqu dessas mudanas. Isso pode ser feito da seguinte forma: Houve uma grande mudana na economia e nas relaes de trabalho, pois a partir da inveno das mquinas trmicas, a mecanizao se difundiu nas indstrias em geral. Dessa forma, as fbricas passam a produzir em srie e surge a indstria pesada (ao e14


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mquinas). A inveno dos navios e das locomotivas a vapor acelera a circulao das mercadorias e dos produtos, ampliando o comrcio e a oferta de emprego. Com o novo sistema industrial, h transformao das relaes sociais, com a criao de duas novas classes sociais, fundamentais para a operao do sistema: os proprietrios dos capitais e os trabalhadores assalariados. 3. Para responder a essa questo, sugira aos alunos uma leitura do texto do GREF, disponvel no endereo: . Nas pginas 3 e 4 do pdf, h bons subsdios para a resposta dos alunos. Espera-se que os alunos descrevam as mquinas a vapor de Thomas Newcomen e a mais conhecida, a de James Watt. Com a intensificao do comrcio, devido ao crescimento industrial a partir da inveno das mquinas trmicas, houve a necessidade de produo em larga escala de diferentes produtos e materiais, principalmente tecidos e carvo, gerando grande motivao para o aperfeioamento das mquinas a vapor. Nesse contexto, surgem as mquinas a vapor de Thomas Newcomen e a do inventor James Watt. O aperfeioamento dessas mquinas gerou o aumento na produtividade e, principalmente, diversificao em seu uso, como a elevao de pesos e a gerao de movimento contnuo, e no apenas o bombeamento de gua. No sculo XVIII, a partir das mquinas de Newcomen e Watt, elas tambm foram utilizadas nos transportes. Isso fez surgir a locomotiva e os pequenos carros, ambos movidos a vapor. A aplicao das mquinas transformou, assim, toda a civilizao ocidental e impulsionou ainda mais a industrializao da Inglaterra.

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4. a) Provavelmente, as mquinas trmicas mais citadas pelos alunos sero os motores dos carros, os refrigeradores e as locomotivas ou trens a vapor. Essas mquinas sero estudadas nas prximas Situaes de Aprendizagem. b) Aqui, espera-se que os alunos reflitam sobre a importncia dessas mquinas, no apenas no transporte das pessoas e em nossa vida pessoal, mas tambm nas relaes produtivas, culturais e sociais que nos afetam.

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SITUAO DE APRENDIZAGEM 4 ENTREVISTA COM UM MECNICO

Pgina 25

Professor, solicite aos alunos que realizem esta entrevista previamente, isto , antes da data desta aula. Depois de realizada a entrevista, pea-lhes que relatem como foi e que explicitem as dvidas que surgiram a partir da conversa com o tcnico. Rena o mximo de informaes apresentadas a fim de subsidiar a formalizao dos conceitos posteriormente. Incentive os alunos a explicar com suas palavras como funciona um motor. Anote na lousa o que mais chamar sua ateno para posteriormente ser trabalhado quando for aprofundado esse estudo. Retomando o que foi relatado nas entrevistas com o mecnico, inicialmente interessante discutir como o motor consegue dar movimento ao carro. Para isso, na oficina, ao verem um motor real, os alunos podero entender as funes de cada parte do motor e constatar que ele constitudo de um bloco de ferro ou alumnio que possui cmaras de combusto. Nessas cmaras ficam os cilindros, nos quais se movem os pistes. Cada pisto tem um virabrequim ligado a ele por meio de uma biela, pea capaz de transformar o movimento de vaivm do pisto em rotao do virabrequim. justamente o virabrequim que, ao girar, transmite o movimento s rodas do carro. Entender minimamente o papel de cada uma dessas peas imprescindvel para a compreenso do que ocorre no funcionamento de um motor. Quanto s principais diferenas entre os carros a gasolina, a lcool e a diesel, podemos dizer inicialmente que entre o motor a gasolina e a lcool as diferenas so poucas. Ambos trabalham no mesmo ciclo (chamado de ciclo Otto), possuem vela que produz fasca para exploso e tm carburadores ou injeo eletrnica para injetar combustvel. As principais diferenas esto na taxa de compresso e na quantidade de combustvel injetado na cmara de combusto. O motor a lcool possui taxa de compresso* mais alta, pois a tendncia exploso menor, no entanto, trabalha com uma mistura arcombustvel mais rica, com menos ar do que no motor a gasolina. Por trabalhar com17


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uma mistura mais rica que o motor a lcool tem maior consumo do que o movido a gasolina. Sobre o motor a diesel, a principal diferena em relao aos motores a gasolina e a lcool est no processo de injeo. Num motor a diesel, no h vela, ele aspira o ar e o comprime. O combustvel injetado diretamente na cmara de combusto. Nesse caso, o calor do ar comprimido o responsvel direto pela combusto do combustvel no motor a diesel. O motor a gasolina usa uma mistura de ar e combustvel injetado antes da vlvula de admisso ou em um carburador. Por isso, a taxa de compresso pode ser muito maior nos motores a diesel. Quanto maior a taxa de compresso, maior a potncia gerada. O carro flex o mesmo carro a gasolina, mas com algumas mudanas. O motor recebe alteraes nos materiais das vlvulas, uma vez que o lcool no tem as mesmas propriedades lubrificantes da gasolina. A bomba de combustvel, que fica imersa no combustvel do tanque, projetada para ficar em contato com o lcool. Em alguns casos, a vlvula termosttica eltrica e tem funcionamento diferenciado segundo o combustvel (o motor deve funcionar mais quente com lcool, para melhor aproveitamento da energia do combustvel). Devido menor evaporao do lcool em relao gasolina, a partida do motor frio, com lcool no tanque, em temperatura ambiente inferior a 14 C, difcil ou mesmo impossvel. Por esse motivo, a exemplo dos carros movidos s a lcool que existiam antes, h um sistema para tornar possvel ligar o motor nessas condies. Ele consiste num pequeno reservatrio de gasolina no compartimento do motor e uma bomba eltrica. Quando a temperatura ambiente est abaixo de 14 C e o motor est frio, uma pequena quantidade de gasolina introduzida automaticamente no coletor de admisso, e o motor pode ser posto em funcionamento normalmente.* Taxa de compresso o ndice que mede a quantidade de vezes que a mistura de ar e combustvel comprimida antes da exploso na cmara de combusto.

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Pginas 27-29

Faa o grfico da P x V na lousa. A inteno sintetizar e sistematizar as

transformaes termodinmicas envolvidas nas etapas do ciclo da turbina a vapor.

Assim como no ciclo da turbina a vapor, faa outro grfico P x V na lousa. A

inteno agora sintetizar e sistematizar as transformaes termodinmicas envolvidas nas etapas do ciclo do motor a quatro tempos.

Este um bom momento para a formalizao do primeiro princpio da

termodinmica. Para isso, sugerimos que, como apoio, utilize o livro didtico de sua preferncia. Da mesma forma que o motor de um carro, a turbina a vapor uma mquina que transforma energia interna do combustvel em energia mecnica. Numa caldeira, por meio da queima do combustvel, ferve-se uma substncia de operao, em geral a gua. Nesse processo, h mudana de estado de lquido para vapor e vice-versa. O19


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vapor sai da caldeira a alta presso e conduzido de forma a fazer girar as ps de uma turbina, diminuindo a presso e a temperatura desse vapor. Tal rotao ocorre porque o vapor transfere parte de sua energia cintica para as ps da turbina. Ao passar pelas ps, ainda que o vapor sofra uma queda em sua presso e em sua temperatura, ele ainda sai da turbina como vapor a baixa presso, o que exigiria muito trabalho para conduzi-lo de volta caldeira. Por isso, a necessidade de um condensador. Assim, o vapor passa por uma serpentina e troca calor com o meio externo (geralmente gua), sendo ento condensado. No estado lquido, ele pode ser mais facilmente bombeado como gua quente de volta caldeira, reiniciando, dessa forma, um novo ciclo. Faa em seguida o paralelo da mquina a vapor com o motor a combusto, trabalhando principalmente a descrio dos quatro tempos de um motor a gasolina. I Devido ao giro do virabrequim, o pisto baixa no cilindro, abrindo a vlvula de admisso e injetando para dentro a mistura de gasolina e ar. II O pisto agora sobe, comprimindo a mistura. III Quando a compresso tem seu valor mximo, uma centelha eltrica produzida pela vela de ignio promove a exploso instantnea, fazendo com que os gases quentes se expandam, jogando o pisto para baixo e produzindo trabalho. IV O pisto sobe descomprimindo os gases, e a vlvula de escape abre-se de modo que os gases provenientes da queima sejam expelidos para o meio ambiente. Observao: preciso ressaltar que esses diagramas so a representao terica de um ciclo real, uma idealizao, j que, durante o funcionamento de um cilindro, os processos no ocorrem de forma perfeita. Assim, no ciclo do motor a quatro tempos, por exemplo, no trecho AB, em que se tem representado um processo isobrico, na realidade h sim uma queda de presso. Isso ocorre porque a velocidade de expanso da mistura no acompanha perfeitamente o movimento do pisto, acarretando queda de presso. Da mesma forma, no trecho BA, a expulso do gs tambm no chega a ser isobrica, pois o pisto no tem velocidade suficiente para acompanhar a sada do gs. Entretanto, ainda assim, esse diagrama til para a compreenso do funcionamento de um motor. um momento oportuno para discutir a idealizao de modelos, revelando sua importncia no processo de construo da Cincia.

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Pginas 29-31

1. O impulso necessrio para o incio do ciclo efetuado pelo motor de arranque. Um pequeno motor eltrico alimentado pela bateria do carro, que d incio ao giro do virabrequim. Nos primeiros veculos, esse impulso era efetuado mecanicamente, por meio de uma manivela encaixada no eixo do virabrequim; processo semelhante usado ainda hoje em muitas motocicletas, nas quais se aciona um pedal para dar a partida no motor. 2. O acelerador do carro est articulado com o carburador ou com a injeo eletrnica do combustvel, dispositivo que controla a quantidade de combustvel que admitida na cmara de combusto. O carburador, ou a injeo, tem a funo de misturar o ar com o vapor do combustvel na proporo de 12 a 15 partes de ar para uma de combustvel (por unidade de massa) e controlar a quantidade dessa mistura, por meio de uma vlvula que se abre quando o pedal do acelerador pressionado ou solto, liberando maior ou menor quantidade da mistura combustvel. 3. Aps a descrio do motor a quatro tempos, bastante simples falar sobre os de dois tempos, visto que suas semelhanas e diferenas so poucas. A diferena fundamental encontra-se no fato de a aspirao e a compresso da mistura do combustvel ocorrerem enquanto o pisto sobe (primeiro tempo), e a exploso e a exausto ocorrerem enquanto o pisto desce (segundo tempo). Esse motor muito utilizado em motocicletas, cortadores de grama, motosserras, entre outros. 4. Um bom desempenho do motor se deve, entre outras coisas, ao instante em que a fasca produzida. O pisto deve estar em fase de compresso e prximo posio de menor volume do cilindro, pois, nessa situao, o aproveitamento da energia liberada na exploso para a realizao do trabalho mximo. Nesse caso, diz-se que o motor est no ponto. Num motor adiantado, ele se encontra desregulado e provoca a exploso da mistura de ar e combustvel antes do tempo ou do ponto. Desse modo, o movimento de subida do pisto parcialmente freado, resultando numa perda de potncia. 5. Usa-se a queima de carvo para aquecer uma caldeira onde a gua vaporiza a alta presso. Neste caso, os trechos podem indicar:21


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Trecho AB: momento em que se abre a vlvula de escape e o vapor comea a

sair, provocando rpida diminuio da presso, praticamente sem mudar o volume. Trecho BC: momento em que o volume diminui, com presso praticamente

constante. Trecho CD: finalmente os vapores restantes so expulsos por compresso,

quando o pisto volta e diminui de volume. Trecho DE: poder representar a etapa de queima do carvo para aquecer a

caldeira onde a gua vaporiza a alta presso (constante), aumentando seu volume. Trecho EA: a vlvula de admisso do vapor se fecha, e o vapor se expande

dentro do pisto, empurrando-o no restante de seu percurso.

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SITUAO DE APRENDIZAGEM 5 ENTREVISTA COM UM TCNICO EM REFRIGERAO

Pginas 32- 33

Professor, solicite aos alunos que realizem esta entrevista previamente, isto , antes da data desta aula. Uma vez realizada a entrevista, pea que os alunos a relatem, apresentando as informaes obtidas e as dvidas que surgiram a partir da entrevista com o tcnico. Rena o mximo de informaes que puder para subsidiar a formalizao dos conceitos posteriormente. Incentive os alunos a explicar com suas palavras como a geladeira funciona. Anote na lousa o que mais chamar a ateno para que, num prximo momento, possa ser trabalhado. Verifique se os alunos possuem informaes a respeito do fato de a geladeira necessitar de uma substncia de operao, que, ao invs da gua, um gs chamado freon. Alm disso, a geladeira ainda possui partes que funcionam a altas temperaturas (fonte quente) e a baixas temperaturas (fonte fria). O mais importante que eles relatem que a geladeira no usa calor, mas sim o bombeia de uma temperatura mais baixa para uma mais alta, ou seja, o fluxo de calor no espontneo, como na turbina a vapor. Na geladeira, a troca de calor se d no sentido oposto, do mais frio para o mais quente, j que espontaneamente o calor transferido do quente para o frio. Portanto, para bombear calor na direo contrria, preciso realizar um trabalho externo sobre o gs freon, de modo que ele dissipe calor no condensador e evapore no congelador. provvel que o tcnico cite outros nomes ou expresses que faam parte do jargo da rea tcnica. Entretanto, procure focar nas informaes essenciais que possibilitam ser exploradas posteriormente.

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Pginas 34-35

A geladeira funciona em ciclos utilizando um fluido (freon 12) em um circuito fechado. Tem como partes essenciais o compressor (1), o condensador (2), uma vlvula descompressora (3) e o evaporador (congelador) (4).

O motor compressor comprime o freon, aumentando a presso e a temperatura e fazendo-o circular atravs de uma tubulao. Ao passar por uma serpentina permeada por lminas no condensador, o freon perde calor para o exterior, se liquefazendo. O condensador fica atrs da geladeira. Ele a parte quente que voc j deve ter observado. Ao sair do condensador, o freon liquefeito, ainda a alta presso, chega a um estreitamento da tubulao (tubo capilar), onde ocorre diminuio da presso. O capilar a vlvula de descompresso. Quando o freon lquido a baixa presso chega serpentina do evaporador, de dimetro bem maior que o capilar, ele se vaporiza retirando calor da regio prxima (interior do congelador). O gs freon a baixa presso e temperatura ento aspirado para o compressor, onde se inicia um novo ciclo. O congelador a parte mais fria e por isso sempre est localizado na parte superior da geladeira, havendo assim condies de trocar calor com todo o seu interior. O ar24


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quente sobe, resfria na regio do congelador e depois desce, estabelecendo a conveco do ar. por esse motivo que muitas geladeiras so geralmente vazadas. Como se v, tal como na turbina a vapor e no motor a combusto, a geladeira trabalha com uma substncia de operao e, alm disso, tem partes que funcionam a altas temperaturas (fonte quente) e a baixas temperaturas (fonte fria). Enquanto na turbina e no motor o calor flui espontaneamente da fonte quente para a fria, na geladeira o fluxo de calor no espontneo. A troca de calor se d do mais frio (interior da geladeira) para o mais quente (meio ambiente). Para que isso ocorra, necessrio trabalho externo sobre o freon para que ele dissipe calor no condensador e evapore no congelador. Em cada ciclo, a quantidade de calor cedida para o meio ambiente por meio do condensador igual quantidade de calor retirada do interior da geladeira mais o trabalho realizado pelo compressor.

Pginas 36-38

1. Conforme j descrito anteriormente, a geladeira funciona em ciclos, utilizando como substncia de operao um fluido que se vaporiza a baixa presso e com alto calor latente de vaporizao. O gs freon comprimido pelo compressor, sofrendo assim aumento de presso e temperatura. Em seguida, o gs, ao passar pelo condensador (grade quente que fica na parte de trs da geladeira), perde calor para o meio externo e se liquefaz. Ainda em alta presso, o freon no estado lquido sai do condensador e chega at uma vlvula de descompresso, que nada mais que um estreitamento da tubulao, sofrendo ento uma queda em sua presso. O freon liquefeito, agora de baixa presso, chega at o evaporador (corriqueiramente chamado de congelador). Com um dimetro bem maior que o capilar, o freon ento se vaporiza e retira calor da regio interna do congelador. Da, um novo ciclo se inicia quando o gs, em forma gasosa e a baixa presso e temperatura, aspirado para o compressor. 2. A geladeira e o freezer so equivalentes quanto ao funcionamento. O freezer possui um evaporador grande o suficiente para manter a temperatura internada ordem de 20 C. Por isso, o motor (motor compressor) mais potente, comprimindo maior25


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quantidade de freon 12 que a geladeira comum. Consequentemente, o condensador do freezer troca maior quantidade de calor com o ambiente. 3. Os refrigeradores e os condicionadores de ar tm em comum o fato de trabalharem em ciclos, num circuito fechado, sem gastar a substncia refrigerante ao longo do tempo. Os condicionadores de ar tambm so constitudos por um compressor, um evaporador e um condensador, mas utilizam o freon 22, cuja temperatura de ebulio (cerca de 40,80 C presso atmosfrica) permite sua condensao sob presses menores sem haver necessidade de compresses to potentes. Nos condicionadores, o ar que provm do ambiente (contendo p e umidade), aps passar por um filtro que retm suas impurezas, entra em contato com a serpentina do evaporador, sendo resfriado e devolvido ao ambiente, impulsionado por um ventilador. 4. menor que 800 cal.

De acordo com o esquema acima, podemos dizer que a quantidade de calor retirado da fonte fria Q1 (interior da geladeira) a diferena entre a quantidade de calor jogado para a fonte quente (Q2) e o trabalho (W) recebido pelo compressor para fazer o ciclo, que, neste caso, no espontneo, como j abordado. Q1 = Q2 W (2 Lei da Termodinmica) Como o calor rejeitado para o ambiente vale Q2 = 800 cal, pela expresso, teremos: Q1 = 800 W. Dessa forma, verifica-se que Q1 < 800 cal.26


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5. A ideia no vai funcionar, pois, como a porta da geladeira est aberta e o radiador tambm se encontra na sala, todo o calor retirado do ambiente e adicionado ao trabalho realizado para retirar esse calor ser devolvido para a sala por meio do radiador. Isso vai fazer com que a geladeira rejeite, ao final, maior quantidade de calor do que absorveu.

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O objetivo da questo fazer com que os alunos realizem uma pesquisa (pode ser na internet ou mesmo em livros didticos, enciclopdias etc.) a fim de iniciar o que ser discutido na prxima Situao de Aprendizagem, momento em que sero abordados a potncia e o rendimento das mquinas trmicas. Vale ressaltar que o rendimento dos motores em geral depende de fatores variados. Da a faixa de valores para o rendimento dos motores colocados como exemplo serem bem amplas. Aqui, ainda no o momento de aprofundar esses fatores, mas sim ter uma noo geral dos valores encontrados por meio da pesquisa para que, posteriormente, eles possam ser debatidos e estudados. Para os outros exemplos listados, podem ser encontrados, para os motores a gasolina, rendimento entre 22% e 30%. Para os motores eltricos, os valores so ainda mais variveis. Dependendo do motor e de sua aplicao, o rendimento pode variar de 35% a 95%. J, para as locomotivas a vapor, o rendimento bem menor, podendo variar cerca de 15% a 20%.

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SITUAO DE APRENDIZAGEM 6 PESQUISANDO A POTNCIA E O RENDIMENTO

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Essa pesquisa tem como objetivo iniciar a discusso a respeito da potncia e do rendimento das mquinas trmicas a partir do que os alunos trouxeram de informaes da entrevista. As principais informaes devem ser colocadas na lousa ou destacadas pelo professor para que posteriormente possam ser retomadas, medida que os conceitos de potncia e rendimento das mquinas trmicas forem abordados.

Pginas 40-41

1. A potncia desses motores diretamente determinada pela quantidade do combustvel aspirada pelo carburador ou injeo eletrnica de combustvel, comprimida e detonada pela fasca da vela, responsvel pela exploso da mistura. essa exploso da mistura de ar e combustvel no interior do cilindro a responsvel pelo movimento do carro. Os carros 1.0 tm o volume dos cilindros de 1 litro e so menos potentes porque o volume da mistura de ar e combustvel, a ser detonada no cilindro do motor, menor do que num carro 1.6, que tem volume de 1,6 litro. Com isso, os motores 1.0 consomem menos combustvel do que um carro 1.6. A quantidade mxima de combustvel ou mistura admitida em cada cilindro do motor, multiplicada pelo nmero de cilindros que compem o motor a exploso, denominada cilindrada, expressa em cm3 ou pol3. Observao: vale lembrar que no apenas o volume dos cilindros que determina a potncia de um carro. As caractersticas dos motores, como regime de rotao, posicionamento dos cilindros, entre outras, tambm determinam a potncia. O melhor contraexemplo so os motores 1.0 turbo, que foram a entrada da mistura por meio de turbinas, postas em movimento pelos gases exalados do prprio motor.28


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2. H vrios procedimentos que contribuem para aumentar o rendimento dos motores. Apesar de somente dois fatores serem solicitados, vamos aqui destacar mais alguns: o aumento do fluxo de ar no interior do cilindro, pois, quanto mais ar injetado

em seu interior, maior ser a exploso da mistura. resfriamento do ar que entra comprimir o ar aumenta sua temperatura. O ideal

ter o ar mais frio possvel dentro do cilindro, pois, quanto mais quente o ar, menos ele se expande quando a combusto acontece. peas mais leves que ajudam a melhorar o desempenho do motor. Cada vez que

o pisto muda a direo, ele usa mais energia para frear a entrada em uma direo e comear outra. Quanto mais leve o pisto, menos energia ele consome. Peas mais leves tambm permitem que o motor gire mais rpido, dando a ele mais potncia. aumento da proporo de compresso. Quanto mais alta a proporo de com-

presso, maior a fora produzida. Quanto mais comprimida a mistura ar/combustvel, mais facilmente ocorrer a exploso da mistura. aumento da atividade do cilindro. Prender mais ar (consequentemente mais com-

bustvel) em um cilindro, assim como aumentar seu tamanho, poder levar ao aumento na fora obtida. aumento do deslocamento. Mais deslocamento significa mais fora, pois mais

gs queimado durante cada revoluo do motor.

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1. Ela diminuiria. Pela expresso do rendimento =T quente

T

frio

T quente

, quanto menor for a tempera-

tura da fonte quente (Tquente), menor ser o rendimento ().

2. O ar-condicionado retira calor do ambiente (fonte fria) e o rejeita para o exterior da sala (fonte quente) custa da realizao de trabalho. No caso do refrigerador, ele faz o mesmo, porm, libera calor para o mesmo ambiente. Isso faz com que todo o calor

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retirado seja colocado novamente no mesmo ambiente, levando a temperatura a no variar significativamente. Para o refrigerador funcionar de forma semelhante ao ar-condicionado, deveramos colocar o condensador (radiador) em um ambiente externo para liberar o calor em outro ambiente. 3. O refrigerador um aparelho que reduz a temperatura dos materiais colocados em seu interior e mantm nesse ambiente temperatura inferior de sua vizinhana. O refrigerador retira calor de uma fonte fria e, aps a realizao de trabalho pelo motor, rejeita uma quantidade de calor para o ambiente (fonte quente). Como o calor sempre passa espontaneamente da fonte quente para a fonte fria, nesse caso, o processo no espontneo. Da a necessidade de realizar trabalho sobre o refrigerador. Quanto maior for a temperatura da sala onde o refrigerador se encontra, maior dever ser o trabalho realizado para retirar calor de seu interior (fonte fria) e rejeitar para o ambiente por meio do radiador (fonte quente), ou seja, mais trabalho o motor dever realizar para resfriar o interior (fonte fria). Dessa maneira, o motor do refrigerador vai consumir mais energia para a realizao desse trabalho. 4. Neste caso, temos uma mquina trmica que retira calor de uma fonte quente para a realizao de trabalho. Uma parte do calor fornecido pela fonte quente rejeitada para uma fonte fria. Essa a 1 Lei da Termodinmica (que nada mais do que o princpio da conservao da energia) e pode ser escrita da seguinte forma: W = Qquente Qfrio Dessa forma, podemos escrever que: 43 000 = 176 000 Qfrio Qfrio = 133 000 J Ento, 133 000 J equivale quantidade de energia rejeitada para a fonte fria no utilizada para realizar trabalho. Essa energia foi cedida ao ambiente. Como no foi aproveitada de forma til, dizemos que ela foi perdida. O rendimento dado por: = W/Qquente = 43 000/176 000 = 0,244 ou = 24,4%

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Espera-se que o texto enfatize a necessidade de economizar energia pelo fato de nem toda energia produzida ser transformada integralmente em trabalho. Uma parte se transforma em calor ou em outra forma de energia, que no h como ser reaproveitada. Nesse caso, dizemos que houve perda da capacidade de sua utilizao de forma til. Por isso, necessrio que haja consumo racional de energia, visto que suas reservas so limitadas.

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SITUAO DE APRENDIZAGEM 7 UMA PERGUNTA INTRIGANTE: POR QUE TEMOS QUE ECONOMIZAR ENERGIA, APESAR DE A FSICA DIZER QUE ELA NO SE PERDEPginas 44-45

O intuito relacionar a resposta com a segunda Lei da Termodinmica e, consequentemente, com o conceito de entropia. Os alunos devem perceber o que foi estudado no tema anterior, ou seja, parte da energia utilizada para realizar um trabalho sempre transformada em calor. Assim, a parcela de energia transformada em calor perdida, pois no pode ser reutilizada para gerar mais trabalho.

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Um motor esquenta ao ser utilizado e, para produzir mais trabalho, preciso injetar mais combustvel. Assim, na realidade, no ocorre perda efetiva de energia. O que acontece que, ao ser convertida em calor, h degradao dessa energia, de forma que no podemos mais utiliz-la para gerar trabalho til.

Pginas 47-49

1. Um dos enunciados da 2 Lei da Termodinmica diz que: O calor no flui espontaneamente de um corpo frio para um corpo quente. Essa afirmao pode ser observada no dia a dia, quando, por exemplo, deixamos uma taa de sorvete fora da geladeira por certo tempo. Sabemos que o sorvete vai derreter, pois o calor passa do ar para ele, excedendo sua temperatura de fuso. Da mesma forma, o calor de uma xcara de caf transferido para o ar, esfriando o caf. No h sentido em acreditar que o contrrio possa acontecer, ou seja, que o caf se torne mais quente enquanto o ar ao seu redor esfria. Observe que essa lei no diz que o calor no pode passar do corpo mais frio para o mais quente; afinal, isso o que ocorre em um refrigerador. O que ela afirma que isso no acontece espontaneamente.32


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2. Inicialmente, o aluno precisar entender o significado fsico dos termos ordem e desordem. Para a Fsica, um sistema ordenado aquele no qual determinada quantidade de objetos, que podem ser tomos ou tijolos, est disposta de forma regular e previsvel. Assim, os tomos de um cristal ou os tijolos fixados em uma parede so sistemas altamente ordenados. J um sistema desordenado fisicamente aquele no qual os objetos esto dispostos de forma irregular, como os tomos de um gs ou os tijolos espatifados depois de uma demolio. Ento, de acordo com esse princpio da termodinmica, possvel citar como exemplo o que acontece com as molculas de gs que escapam de um vidro de perfume: elas se movem inicialmente num estado relativamente ordenado, quando ainda esto confinadas no pequeno vidro, para um estado altamente desordenado, quando se abre a tampa do vidro. 3. a) Irreversvel, pois no h como juntar novamente os cacos de vidro da garrafa e refaz-la. b) Irreversvel, pois no h como desfazer a mistura e voltar a ter cada um dos produtos que se tinha antes da mistura. c) Irreversvel, pois, apesar de o gelo poder se transformar em gua e esta gua novamente se transformar em gelo, parte da gua do gelo se mistura com o refrigerante, de forma a no ser possvel seu retorno ao gelo. d) Irreversvel, porque a lenha depois de queimada no poder retornar madeira original que se tinha antes da queima. e) Irreversvel, pois no h como obter o pneu da mesma forma que antes de ser perfurado. f) Reversvel, pois a gua do gelo poder se transformar novamente em gelo. Observao: em todos os exemplos, ser reversvel seria como passar o filme

do fenmeno ao contrrio, e no a sensao de impossibilidade. 4. A 1 Lei da Termodinmica se restringe conservao da energia, possibilitando todas as converses de energia, uma vez que no estabelece um sentido nico para as suas transformaes. J a 2 Lei estabelece um sentido preferencial para a energia, uma vez que o calor flui espontaneamente somente do corpo quente para o corpo frio. A 2 Lei considera ainda que a energia no aproveitada no processo (energia degradada) no pode ser reaproveitada pelo sistema.

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Pginas 49-50

De acordo com a 1 Lei da Termodinmica, a energia no pode ser criada nem destruda, apenas transformada. Por isso, impossvel que uma mquina seja capaz de realizar trabalho sem que alguma energia seja transformada e cedida ao sistema.

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SITUAO DE APRENDIZAGEM 8 O BALANO ENERGTICO DO BRASIL E OS CICLOS DE ENERGIA NA TERRA

Pginas 51-52

O site do Ministrio das Minas e Energias indicado para a pesquisa, contm as informaes solicitadas. No entanto, oriente os alunos para que eles possam ler e interpretar as informaes que aparecem em tabelas e grficos.

Pginas 52-53

Fonte de energia Petrleo gua represada Urnio Lenha Vento lcool Sol Carvo mineral Gs natural Biodiesel Ondas do mar Bagao da cana

Fonte primriax x x x x x x -

Fonte secundriax x x x x

Renovvelx x x x x x x x x

No renovvelx x x -

Fontes primrias: as fontes primrias de energia apresentam-se disponveis aos seres

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vivos na forma ou no estado que o ciclo da natureza oferece e determina. Elas so utilizadas na forma como provm da natureza. Fontes secundrias: so fontes derivadas das fontes primrias, representando apenas transformaes ou converses da energia. Fontes renovveis e no renovveis: as fontes classificadas como no renovveis so aquelas cuja escala de tempo envolvida no processo de reposio natural da ordem de milhares ou milhes de anos, alm de requerer condies favorveis, como presso e temperatura. Quanto reposio artificial dessas fontes, quando no impossvel, absolutamente invivel, j que na maioria das vezes envolve um gasto energtico igual ou superior quantidade de energia a ser obtida. J as fontes renovveis so aquelas cuja reposio pode ser feita facilmente, envolvendo escalas de tempo da ordem de alguns anos, como no caso da biomassa.

Pginas 54-55

O carbono o componente primrio de toda matria orgnica. Ele pode ser

encontrado em grandes concentraes na atmosfera terrestre, nas rochas, no solo e nos sedimentos. O ciclo de carbono possui vrias fases, e as duas principais so a fotossntese e a respirao. A fotossntese o processo em que as plantas absorvem a energia solar e CO2 da atmosfera, produzindo oxignio e carboidratos (acares, como a glicose), elementos fundamentais para o crescimento das plantas. J a respirao a fase na qual essa glicose decomposta para liberar a energia usada pelo organismo. Os animais e as plantas utilizam os carboidratos na respirao, utilizando a energia contida na glicose e emitindo CO2. Junto com a decomposio orgnica (forma de respirao das bactrias e dos fungos), a respirao devolve o carbono (depositado nos ecossistemas terrestres e marinhos) para a atmosfera. por meio de processos como fotossntese, respirao e decomposio que os tomos de carbono circulam, seja pela atmosfera, seja pelos vegetais, pelos animais, seja pelos oceanos. Desse modo, podemos perceber que tanto na fotossntese como na respirao, fundamentais no ciclo do carbono, esto envolvidos os primeiros e os principais processos de transformao de energia no ambiente terrestre.36


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Pginas 55-56

1. O carbono passa por vrias fases. Ele pode ser incorporado aos seres vivos (participando de estruturas ou de processos bioqumicos fundamentais para a vida) e pode retornar atmosfera na forma de gs carbnico pela respirao e tambm pela decomposio dos seres vivos aps sua morte (quando ocorre liberao do carbono remanescente). Entretanto, em certas condies, a matria orgnica pode ficar livre da ao de decompositores e vir a sofrer lentas e gradativas transformaes qumicas. Dessa maneira, originam-se os depsitos de carvo e petrleo. 2. Sim, pois direta ou indiretamente todos os tipos de energia utilizados pelas mquinas em geral provm da radiao solar. A gasolina, o leo diesel e outros derivados do petrleo so formados por fsseis de vegetais e animais, assim como os alimentos, o carvo vegetal e a lenha, produzidos pelas plantas, so resultado de transformaes da energia proveniente do Sol. A hidreletricidade, assim como a energia dos ventos e todos os tipos de combusto, tambm depende da radiao solar, seja para a evaporao da gua, seja para a circulao do ar. 3. Participa de certo modo, pois toda substncia orgnica tem carbono em suas molculas, e o lcool produzido a partir da cana-de-acar, um vegetal. A vantagem que o lcool considerado energia renovvel, pois se pode plantar e colher a cana, o que no pode ser feito com a energia produzida a partir do petrleo.

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2011 volume 2 cadernodoaluno fisica ensinomedio 2aserie gabarito[1]

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