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  • Fsica para o Ensino Medio Integrado com Tecnico em

    Mecanica ou Eletroeletronica

    Termodinamica e Optica5o Modulo

    Fernando C. Guesser

    fernando.guesser@ifsc.edu.br

    20 de marco de 2013

    versao atualizada disponvel em www.joinville.ifsc.edu.br/fernando.guesser

  • Por que estudar Fsica no Ensino

    Medio Tecnico?

    Muita gente diz que nao gosta de fsica, mas voce ja parou para pensar o quanto esta ciencia colabora para

    o desenvolvimento tecnologico e cientifico, alem e claro, de tornar muitas tecnologias possveis de serem usadas.

    A fsica esta presente em todo lugar, pois todos os princpios de funcionamento das coisas sao regidos por

    fenomenos fsicos apresentados em experiencias laboratoriais ou observadas na natureza.

    E de extrema importancia o conhecimento de muitos conceitos fsicos para que os tecnicos das areas de

    tecnologia possam entender como funcionam os diversos recursos e projetar novos dispositivos.

    A fsica pode ser considerada como o bastidor da mecanica e eletroeletronica e das diversas areas da enge-

    nharia, pois muitas tecnologias e componentes empregados no chao de fabrica tais como, motores, solenoides,

    sensores, resistores, prensas e etc, utilizam princpios fsicos.

    - Por que quando desligamos um motor ele ainda continua o seu movimento?

    - O que e corrente eletrica?

    - Como funciona o termometro?

    - Como funciona um sensor?

    - Como e formado um campo magnetico?

    ...

    -Como as coisas funcionam?

    Vire a pagina e comece a desvendar as respostas ao longo do quarto volume deste livro.

    Nesse volume estudaremos Termodinamica e Optica e subdivide-se em:

    Termodinamica

    Temperatura

    Dilatacao Termica

    Calor

    Propagacao do Calor

    Estados Fsicos

    Gases

    Leis da Termodinamica

    Ciclos Termodinamicos

    Optica

    Ondas

    Propagacao do Som

    Otica Geometrica

    Reflexao

    Refracao

    Lentes e Retina

    Natureza da Luz

    Os outros volumes tratan de mecanica e eletromagnetismo.

    Figura 1: Maos a obra!

    i

  • A U L A

    2222A U L A

    Triiiimmm!! Toca o despertador, hora deacordar. Alberta rapidamente levanta e se prepara para sair de casa.

    - Vamos, Gaspar, que j est na hora! Voc vai se atrasar!Gaspar se move na cama, afundando mais entre os lenis:- Acho que estou com febre... Hoje vou ficar na cama...Alberta se aproxima. Pe a mo na testa de Gaspar e, depois, na sua. Repete

    a operao e arrisca um diagnstico:- Voc est quentinho, mas no acho que tenha febre... Vamos deixar

    de onda!

    O objetivo desta aula no discutir o que febre, tampouco as suas causas.Queremos discutir o que fazer para descobrir se estamos com febre, isto , qualo aparelho usado para esse fim e que conhecimentos da fsica esto por trs doseu funcionamento.

    bem conhecido o fato de que o corpo humano mantm a sua temperaturaem torno de 36C, salvo quando estamos com febre.

    Quando algum menciona a palavra temperaturatemperaturatemperaturatemperaturatemperatura, ns a compreendemos,mesmo sem jamais t-la estudado. Por exemplo: quando a previso do tempoafirma que a temperatura estar em torno de 32C, sabemos que o dia ser bemquente e que bom vestir roupas leves! Em outras palavras, sabemos que atemperatura est relacionada a quente e frio.

    Vamos voltar ao assunto da febre!

    Quando uma pessoa acha que est com febre, a primeira coisa que nos ocorre colocar a mo na testa dela, ou em seu pescoo, e arriscar um diagnstico. svezes tambm colocamos a mo na nossa prpria testa, para fazer umacomparaocomparaocomparaocomparaocomparao.

    Quando fazemos isso, podemos afirmar, no mximo, que a pessoa est maisou menos quente que ns. Mas isso no basta para dizer se ela est com febre!

    Gaspar acha que est com febre. Alberta acha que no. E a, como resolvera questo?

    Ser o nosso tato um bom instrumento para medir temperaturasmedir temperaturasmedir temperaturasmedir temperaturasmedir temperaturas?Vamos fazer uma experincia.

    Estou com febre?

  • A U L A

    22Testando o nosso tato...

    Para esta atividade voc vai precisar de quatro recipientes. Eles devem sersuficientemente grandes para conter gua, gelo e a sua mo.a)a)a)a)a) Coloque os recipientes 1, 2, 3 e 4 enfileirados sobre uma mesa, como indica

    a figura.b)b)b)b)b) Aquea um pouco de gua e coloque no recipiente 1. Cuidado para no

    aquecer demais e se queimar!c)c)c)c)c) Nos outros recipientes, coloque gua da torneira. Acrescente gelo ao reci-

    piente 4.

    Agora estamos prontos para iniciar as observaes.

    d)d)d)d)d) Coloque a mo esquerda no recipiente 2 e a direita, no recipiente 3. Aguardealguns instantes.

    e)e)e)e)e) Mude a mo esquerda para o recipiente 1 (com gua aquecida) e a direitapara o recipiente 4 (com gelo). Aguarde alguns instantes.

    f)f)f)f)f) Coloque as mos onde elas estavam anteriormente (item d).

    Agora responda: o que voc sentiu?Voc deve ter tido a sensao de que a gua do recipiente 2 est mais fria do

    que a gua do recipiente 3. Mas elas esto mesma temperatura, pois ambasforam recolhidas da torneira!

    Como voc pde ver, o nosso tato nos engana e por isso ns podemosconcluir que o tato no um bom instrumento para medir temperaturas o tato no um bom instrumento para medir temperaturas o tato no um bom instrumento para medir temperaturas o tato no um bom instrumento para medir temperaturas o tato no um bom instrumento para medir temperaturas!

    Equilbrio: uma tendncia natural

    O que acontecer se deixarmos os quatro recipientes da experincia acimasobre a mesa, por um longo perodo de tempo?

    Quantas vezes ouvimos dizer: Venha se sentar, a sopa j est na mesa, vaiesfriar! Quantas vezes conversamos distraidamente e, quando percebemos, acerveja que est sobre a mesa ficou quente?

    Isso ocorre pois, quando dois ou mais objetos esto em contato, suastemperaturas tendem a se igualar e, ao final de um certo tempo, os dois objetostero a mesma temperatura.

    Nessa situao, isto , quando dois objetos esto mesma temperatura,dizemos que eles esto em equilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmico.

    A sopa ou a cerveja sobre a mesa esto em contato com o ar, que tem umacerta temperatura - chamada temperatura ambientetemperatura ambientetemperatura ambientetemperatura ambientetemperatura ambiente. Depois de certo tempo,

    gua + vapor(quente)

    gua temperaturaambiente

    gua + gelo(fria)

  • A U L A

    22todos estaro em equilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmico, temperatura ambiente! A sopa, queestava mais quente que o ar, vai esfriar, e a cerveja, que estava mais fria, vaiesquentar.

    Medindo temperaturas

    J que no possvel descobrir se h febre usando apenas o tato, precisamosrecorrer a um instrumento de medida mais preciso: o termmetro termmetro termmetro termmetro termmetro. O termmetroutilizado para medir a temperatura do corpo humano conhecido comotermmetro clnicotermmetro clnicotermmetro clnicotermmetro clnicotermmetro clnico (Figura 1). Seu princpio de funcionamento semelhante aode outros tipos de termmetro.

    Esse termmetro for-mado por um tubo devidro oco no qual de-senhada uma escala: aescala termomtricaescala termomtricaescala termomtricaescala termomtricaescala termomtrica.No interior desse tuboexiste um outro tubo,muito fino, chamado detubo capilartubo capilartubo capilartubo capilartubo capilar. O tubocapilar contm um l-quido, em geral merc-rio (nos termmetros clnicos) ou lcool colorido (nos termmetros de paredeusados para medir a temperatura ambiente).

    Quando colocamos a extremidade do termmetro clnico em contato com ocorpo, o lquido no interior do tubo capilar se desloca de acordo com atemperatura do corpo.

    importante notar que, aps colocar o termmetro sob o brao, precisamosesperar alguns minutos. Esse tempo necessrio para que se estabelea oequilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmico entre o corpo e o termmetro. Assim, o termmetro vaiindicar exatamente a temperatura do corpo. Para ler a temperatura, bastaverificar a altura da coluna de mercrio, utilizando a escala termomtrica.

    Podemos refletir agora sobre algumas questes importantes:

    Como funciona o termmetro, isto , por que o lquido se desloca? Como se constrem as escalas termomtricasescalas termomtricasescalas termomtricasescalas termomtricasescalas termomtricas?

    O objetivo das sees seguintes responder a essas duas questes.

    Aquecendo objetos

    O funcionamento do termmetro se baseia num fenmeno observado nasexperincias: em geral, os objetos aumentam de tamanho quando so aquecidos.Este aumento de tamanho chamado de dilataodilataodilataodilataodilatao. Por exemplo: nas constru-es que utilizam concreto armado, como pontes, estradas, caladas oumesmo edifcios, comum deixar um pequeno espao (as chamadas juntas dedilatao) entre as placas de concreto armado. A razo simples: as placas estoexpostas ao Sol e, quando aquecidas, dilatam-se. As juntas servem para impedirque ocorram rachaduras.

    Figura 1

  • A U L A

    22Outro exemplo encontrado nos trilhos dos trens: entre as barras de ferro

    que formam os trilhos existem espaos. Eles permitem que as barras se dilatemsem se sobrepor uma outra, como mostra a figura abaixo.

    Mais um exemplo do nosso dia-a-dia: quando est dificil remover a tampametlica de um frasco de vidro, basta aquec-la levemente. Assim, ela se dilatae sai com facilidade. Mas resta agora uma dvida:

    Por que os objetos aumentam de tamanho quando aquecidos?

    Para responder a essa questo, precisamos saber um pouco sobre a estruturados objetos. No vamos aqui entrar em detalhes, pois este ser o tema de umaoutra aula. Por enquanto, basta saber que todos os objetos, independentementedo tipo de material de que so feitos, so formados por pequenas estruturaschamadas de tomos.tomos.tomos.tomos.tomos.

    Sabemos que esses tomos esto em constante movimento.Voc j aprendeu que existe uma energia associada ao movimento de um

    objeto: a energia cinticaenergia cinticaenergia cinticaenergia cinticaenergia cintica. Aprendeu tambm que ela maior quanto maior a velocidade do objeto em movimento.

    Ao ser aquecido, um objeto recebe energia, que transferida aos seustomos. Ganhando energia, os tomos que formam o objeto passam a se movermais rapidamente. Ns j sabemos que, quando aquecemos um objeto, suatemperatura aumenta.

    Isso nos faz pensar que a temperatura de um objeto est relacionada aomovimento de seus tomos. Assim chegamos a uma concluso importante:

    A temperatura de um objetoA temperatura de um objetoA temperatura de um objetoA temperatura de um objetoA temperatura de um objeto uma grandeza que est associada uma grandeza que est associada uma grandeza que est associada uma grandeza que est associada uma grandeza que est associada

    ao movimento de seus tomos.ao movimento de seus tomos.ao movimento de seus tomos.ao movimento de seus tomos.ao movimento de seus tomos.

    Tendo mais energia, os tomos tendem a se afastar mais uns dos outros.Conseqentemente, a distncia mdiadistncia mdiadistncia mdiadistncia mdiadistncia mdia entre eles maior. Isso explica porqueos objetos, quando aquecidos, aumentam de tamanho, isto , dilatam-se.

    Ento, aprendemos outro fato importante:

    DilataoDilataoDilataoDilataoDilatao o aumento de tamanho de um objeto, o aumento de tamanho de um objeto, o aumento de tamanho de um objeto, o aumento de tamanho de um objeto, o aumento de tamanho de um objeto,quando ele aquecido, em conseqncia do aumentoquando ele aquecido, em conseqncia do aumentoquando ele aquecido, em conseqncia do aumentoquando ele aquecido, em conseqncia do aumentoquando ele aquecido, em conseqncia do aumento

    da distncia mdia entre os tomos que o formam.da distncia mdia entre os tomos que o formam.da distncia mdia entre os tomos que o formam.da distncia mdia entre os tomos que o formam.da distncia mdia entre os tomos que o formam.

  • A U L A

    22Como calcular a dilatao de um objeto?

    Vamos imaginar uma barra de ferro de trilho de trem. Suponha que ela tem,inicialmente, um comprimento L0.

    Ao ser aquecida, a barra aumenta de tamanho: aumentam seu comprimen-to, sua largura e sua altura. Mas, inicialmente, vamos analisar apenas a variaodo comprimento comprimento comprimento comprimento comprimento da barra, que bem maior do que a variao das outrasdimenses, isto , a largura e a altura. Veja a ilustrao abaixo.

    As experincias mostram que a variao do comprimento variao do comprimento variao do comprimento variao do comprimento variao do comprimento (DL) diretamente proporcional variao da sua temperatura diretamente proporcional variao da sua temperatura diretamente proporcional variao da sua temperatura diretamente proporcional variao da sua temperatura diretamente proporcional variao da sua temperatura (Dt) e ao seue ao seue ao seue ao seue ao seucomprimento inicial comprimento inicial comprimento inicial comprimento inicial comprimento inicial (L0), isto :

    DL DtDL L 0

    Matematicamente, podemos escrever da seguinte maneira:

    DL = L 0 a Dt

    onde a a constante de proporcionalidade.

    Portanto, a variao do comprimento de um objeto diretamente propor-diretamente propor-diretamente propor-diretamente propor-diretamente propor-cional cional cional cional cional sua variao da temperatura.

    As experincias mostram tambm que a constante de proporcionalidadeconstante de proporcionalidadeconstante de proporcionalidadeconstante de proporcionalidadeconstante de proporcionalidade(a) depende do tipo de material de que feito o objeto. No caso da nossa barra,esse material o ferro.

    A constante de proporcionalidade (a) recebe o nome de coeficiente de coeficiente de coeficiente de coeficiente de coeficiente dedilatao lineardilatao lineardilatao lineardilatao lineardilatao linear, e seu valor pode ser calculado experimentalmente para cadatipo de material. Para isso, basta medir L0, DL e Dt.

    = LL t0

    Unidade

    Observe que DL e L0 tm unidade de comprimento, que se cancela. Assim,resta a unidade do Dt, isto , da temperatura.

    Portanto, a unidade do coeficiente de dilatao linear o inverso da unidadeda temperatura, que veremos na prxima seo.

    O que vimos no se aplica apenas ao comprimento de um objeto: servetambm para as outras dimenses do objeto, isto , a largura e a altura.

  • A U L A

    22Em vez de falar na variao de cada uma das dimenses do objeto separa-

    damente, podemos falar diretamente da variao de seu volume, isto , dadilatao volumtrica, dilatao volumtrica, dilatao volumtrica, dilatao volumtrica, dilatao volumtrica, que matematicamente pode ser escrita como:

    DV = V0 g Dt

    onde g chamado de coeficiente de dilatao volumtricacoeficiente de dilatao volumtricacoeficiente de dilatao volumtricacoeficiente de dilatao volumtricacoeficiente de dilatao volumtrica, e seu valor trstrstrstrstrsvezes vezes vezes vezes vezes o coeficiente de dilatao linear, isto , g = 3a .

    Essas leis que descrevem a dilatao de slidos servem tambm para oslquidos. A diferena que os lquidos no tm forma definida: eles adquirema forma do recipiente que os contm, que tambm podem se dilatar.

    Agora possvel entender como funciona o termmetro: o lquido que estno interior do tubo capilar se dilata medida que aquecido; assim, a altura dacoluna de lquido aumenta.

    A variao da altura da coluna diretamente proporcional variao da...

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