[GER-FI] 7.1 – Apostila

MOVIMENTO UNIFORME

1) Introdução:

Em Física estudamos tanto movimentos complexos quanto simples. Um dos mais simples é o movimento uniforme. Antes de o caracterizarmos, vamos definir deslocamento, intervalo de tempo e velocidade média.

Observe a figura:

a) Deslocamento

\(\Delta S=S-S_{0}\)

onde:

Δ = Delta (variação)
S0 = posição inicial
S = posição final
ΔS = deslocamento

 

b) Intervalo de tempo (t)

\(\Delta t=t-t_{0}\)

onde:

t0 = momento de tempo inicial
t = momento de tempo final

 

c) Velocidade Média (Vm)

Um conceito importante na física é o conceito de velocidade média. Ela representa a relação entre o deslocamento do móvel e o intervalo de tempo gasto nesse deslocamento.

\(V_{m}=\frac{DESLOCAMENTO}{TEMPO}\) \(V_{m}=\frac{\Delta S}{\Delta t}\)

 

Exemplo: vamos calcular o deslocamento, o intervalo de tempo e a velocidade média para o movimento abaixo:

\(\Delta S= S-S_{0} \Rightarrow \Delta S= 100-60 = 40km\\
\Delta t= t-t_{0} \Rightarrow \Delta t=1,5-1 = 0,5h\\
V_{m}= \frac{\Delta S}{\Delta t} = \frac{40}{0,5}=80km/h\)

Dizemos que um movimento é uniforme quando sua velocidade é constante. Neste caso a velocidade instantânea (observada num dado instante) é igual à velocidade média: V = Vm

Obs.: caso o movimento descrito possua uma trajetória reta, ele é chamado de movimento retilíneo uniforme.

A equação horária dos espaços, ou seja, a equação que forne­ce o espaço em função do tempo para o M.U. é:

\(S=S_{0}+V_{0}\times t\)

 

2) Gráfico do Espaço x Tempo:

Considere as duas tabelas abaixo:

I – Tabela do Movimento
S(m) 0 2 4 6
t(s) 0 1 2 3

Este movimento, em que o corpo se move no mesmo sentido da trajetória, é chamado de movimento progressivo ( V > 0 ).

II – Tabela do Movimento
S(m) 8 6 4 2
t(s) 0 1 2 3

Neste caso o corpo se move no sentido oposto ao da trajetó­ria (V < 0), por isso o chamamos de movimento retrógrado.

 

3) Gráfico Velocidade X Tempo:

Pense:

1) Por que os gráficos velocidade x tempo são retas paralelas ao eixo dos tempos?

2) Por que os gráficos espaço x tempo são retas que obede­cem uma equação de primeiro grau?

[GER-FI] 6.1 – Apostila

INTRODUÇÃO A MECÂNICA

1) Introdução:

Mecânica é a parte da física que vai estudar os movimentos e o que provoca esses movimentos. Para estudar a mecânica vamos, antes, dividi-la em três partes: Cinemática, Estática e Dinâmica.

Na Cinemática estudaremos o movimento dos corpos sem nos preocupar com o que causou este movimento. A Estática estuda as forças em equilíbrio, por exemplo, uma viga sustentando um prédio. A Dinâmica vai estudar as forças que produzem ou alteram os movimentos.

Começaremos nosso estudo de Mecânica por Cinemática, porém antes temos alguns conceitos que devem ser definidos.

a) Ponto material (partícula) e corpo extenso

Dizemos ponto material (partícula) a um corpo cuja dimen­são é desprezível com relação às distâncias envolvidas no fenômeno. Quando as dimensões do corpo são relevantes ele é chamado de corpo extenso.

Exemplificando: Um automóvel é tratado como um ponto material, quando se move ao longo de uma estrada. Porém, quando está fazendo manobras em uma garagem, é tratado como corpo extenso.

Da mesma forma, procedem os astrônomos quando estudam os movimentos dos corpos celestes. Naturalmente, os plane­tas, as estrelas e o Sol não são corpos pequenos. Mas o raio da Terra é aproximadamente 24.000 vezes inferior à distância entre a Terra e o Sol. Por isso, pode-se considerar a Terra um ponto material que se desloca em torno de outro ponto material, o Sol.

 

b) Sistema de referência (ou referencial)

Para localizarmos um corpo no espaço precisamos comparar sua posição à posição de outro. Este outro é o referencial. O mesmo ocorre quando afirmamos que um corpo está em movimento ou repouso. Assim, repouso movimento são conceitos relativos, isto é, dependem do referencial adotado.

Não existe repouso absoluto nem movimento absoluto.

 

c) Trajetória

A trajetória é o “caminho” descrito por um corpo em mo­vimento. Podemos ir de um ponto A para um ponto B com várias trajetórias diferentes.

É fácil notar que a trajetória de um corpo depende do refe­rencial. No exemplo seguinte, em relação ao avião a bomba cai em trajetória reta. Porém se o referencial adotado for um observador na superfície da Terra a trajetória será uma curva como a da figura.

 

d) Espaço (s)

Indica o local. Ele é medido sobre a trajetória, onde o corpo se encontra num dado instante, em relação a um ponto de referência denominado origem dos espaços. Pode ser positi­vo, negativo ou nulo. O espaço não indica a distância que o móvel percorreu.

Exemplo:

O espaço (posição do corpo) é s = -2m, e sua distância à origem dos espaços é 2m.

 

2) Sistemas de Unidades:

Durante este curso trabalharemos com os três principais sistemas de unidade:

Sistema Espaço Massa Tempo
CGS cm grama segundo
SI m quilograma segundo
MK*S m quilograma segundo

Sendo que:
1m = 100 cm
1kg = 1000 g

 

3) Grandezas:

Existem dois tipos de grandezas: escalar e vetorial.

Uma grandeza é escalar quando tem apenas intensidade, isto é, fica perfeitamente definida e caracterizada pelo seu valor numérico, medido através de um número real e uma unidade. São grandezas escalares: comprimento, área, volume, tempe­ratura, densidade, massa, tempo, energia etc.

Assim, quando dizemos que um dado volume é 10 litros esgotamos o assunto, não cabendo mais nenhuma indagação. O mesmo não ocorre com uma grandeza vetorial.

Uma grandeza vetorial exige, para sua completa caracteriza­ção, além de sua intensidade, também a sua orientação, isto é, a sua direção e sentido. Para caracterizarmos o efeito da aceleração da gravidade, por exemplo, devemos informar qual a sua intensidade, que sua direção é vertical e que seu sentido é dirigido para baixo.

São grandezas vetoriais: deslocamento, velocidade, acelera­ção, força, etc

[GER-FI] 5.1 – Apostila

PRISMAS E ESPELHOS

1) Imagem:

a) Imagem virtual

É a imagem formada pelo encontro do prolongamento dos raios refletidos pelo espelho. A formação da imagem virtual ocorre atrás do espelho, dessa maneira ela não pode ser projetada em uma tela.

 

b) Imagem real

É a imagem formada pelo encontro do próprio raio refletido. A formação da imagem real ocorre na frente do espelho, podendo ser projetada em uma tela.

 

c) Imagem direita

É aquela que tem o mesmo sentido do objeto.

 

d) Imagem invertida

É aquela que tem o sentido oposto do objeto.

 

 

2) Prismas:

Prismas são meios ópticos limitados por superfície não para­lelas que têm a propriedade de decompor a luz branca. A luz branca emitido pelo Sol é formada por luzes de dife­rentes comprimentos de ondas, portanto de cores diferentes.

Quando um feixe atravessa o ar, a velocidade dessas luzes é a mesma no entanto em um prisma esta velocidade é diferente. Veja o que acontece:

O desvio sofrido pelos raios durante a refração é diferente conforme as velocidades. Então:

A luz branca se decompõe nas sete cores do aspecto visível que são:

Vermelho
Alaranjado
Amarelo
Verde
Azul
Anil
Violeta

 

3) Cores:

Um objeto de cor verde absorve toda a luz branca exceto o verde que reflete. Um objeto branco reflete todas as cores. Um objeto preto absorve todas as cores.

Por isso um objeto negro quando colocado no sol (luz quente) aquece mais rapidamente que um objeto branco.

 

 

4) Espectro da luz:

A luz não é composta apenas pelas sete cores do espectro visível. Há também ondas de luz que não podemos ver:

 

 

5) Espelhos:

Os espelhos podem ser classificados como:

⇒ Espelhos planos: apresentam superfície plana

⇒ Espelhos curvos ou esféricos: apresentam superfície côncava ou convexa.

 

a) Reflexão nos espelhos planos

Quando você se olha no espelho plano caseiro vê sua ima­gem formada atrás do espelho, a imagem sempre se forma a uma distância do espelho igual a que você se encontra dele. Veja o que acontece:

A imagem formada por espelhos planos é sempre virtual, direita e simétrica. Por isso ocorre a reversão nos espelhos planos.

 

b) Espelhos angulares

Quando dois espelhos planos formam um ângulo entre si, o número de imagens formado por um objeto colocado entre eles será dado por:

\(N=\frac{360}{\alpha }-1\)

onde:

N = número de imagens
α = ângulo entre os espelhos

 

c) Espelhos curvos

⇒ Espelho côncavo: Neste espelho, os raios que incidem paralelos ao seu eixo refletem-se passando pelo foco. O espelho côncavo também é chamado de convergente. A imagem formada por um espelho côncavo pode ser real ou virtual, direita ou invertida, dependendo da distância do objeto.

Exemplos: colher polida, farol de carro.

⇒ Espelho convexo: O espelho convexo é também chamado espelho divergente. A imagem formada por um espelho divergente é sempre vir­tual, direita e menor que o objeto independente da distância.

Exemplos: bola de árvore de natal espelhada.

 

6) Lentes:

a) Lentes

Lentes são meios transparentes limitados por duas superfície curvas ou por uma superfície curva e uma plana. Ao atravessar uma lente, um raio de luz sofre refração. As lentes podem ser convergentes ou divergentes.

 

⇒ Lentes convergentes: São lentes que possuem o centro mais espesso que as bordas.

As lentes convexas ou convergentes tem a propriedade de convergir um feixe de raios luminosos paralelos para um ponto chamado foco.

 

⇒ Lentes divergentes: Estas lentes apresentam o centro mais livro que as bordas.

As lentes divergentes ou côncavas fazem com que um feixe de raios luminosos paralelos espalha-se, sendo que o prolon­gamento dos raios refratados passam pelo foco da lente, veja:

 

 

7) Formação de Imagens:

As imagens formadas por lentes convergentes podem ser reais ou virtuais. Quando são reais, são sempre invertidas.

As lentes convergentes podem formar imagens reais maiores que o objeto (como no caso do projetor de slides) ou me­nores (como no caso da máquina fotográfica). Podem ainda formar imagens virtuais (como no caso da lupa). Lentes divergentes formam sempre imagens virtuais e meno­res que o objeto. Veja:

a) Olho humano

O olho humano comporta-se como uma máquina fotográfica. Nós possuímos uma lente convergente chamado cristalino que projeta a imagem dos objetos que vemos sobre a retina.

O cristalino é uma lente flexível. Isto permite que enxerguemos objetos de diferentes distâncias. Quando uma imagem não é projetada sobre a retina, ela perde sua nitidez. As pessoas que possuem defeitos na visão enxergam com pouca nitidez.

 

b) Defeitos mais comuns da visão

⇒ Miopia: Nos míopes, a imagem se forma antes da retina. Isto ocorre porque estas pessoas possuem olho alongado ou cristalino pouco convexo. Os míopes enxergam melhor de perto.

⇒ Hipermetropia: Na hipermetropia, ao contrário da miopia, a imagem se forma depois da retina e a correção é feita com uso de lentes convergentes.

Resumo dos principais defeitos da visão

Defeito da Visão Condição Anatômica Medida Corretiva
Miopia globo ocular alongado;
cristalino curvo
óculos de lentes côncavas (divergente)
Hipermetropia globo ocular encurtado;
cristalino plano
óculos de lentes convexas (convergentes)
Astigmatismo irregularidade na curvatura do cristalino ou da córnea prismas especiais na lente.
Vista cansada perda da flexibilidade do cristalino óculos de lentes convexas (convergentes).

*Para facilitar a assimilação dos tipos de lentes que devem ser usadas para a miopia (M) e hipermetropoia (H) segue a seguinte frase:

Maria deixou Hugo chateado”

d = divergente
c = convergente

[GER-FI] 4.1 – Apostila

ONDAS E ACÚSTICA

Uma onda é uma forma de propagação da energia. Ela está presente, por exemplo, em ondas de rádio, ondas luminosas, raio X, ondas caloríficas, etc. Quando jogamos uma pedra na água forma-se ondas que transmitem a energia do choque da pedra com a água.

É importante observar que as ondas na água transportam apenas energia e não matéria, ou seja, caso haja algum objeto boiando na água o mesmo não será arrastado para as mar­gens pelas ondas.

Ondas transportam somente energia e não transportam matéria.

 

1) Forma das Ondas:

As ondas se classificam como transversais e longitudinais.

⇒ Transversais: a direção da oscilação é perpendicular à direção de propagação.

Exemplos: ondas em uma corda, luz.

*A seta vertical mostra a direção da oscilação

 

⇒ Longitudiais: a direção de oscilação e propagação é a mesma.

Exemplos: ondas em uma mola espiral, som.

*A seta horizontal mostra a direção da oscilação.

 

2) Ondas Mecânicas e Eletromagnéticas:

a) Onda Mecânica

Uma onda mecânica é aquela que necessita de um meio físico para se propagar, pois ela se movimenta através da vibração das moléculas que compõe o meio.

Exemplos: ondas na corda, onda na água, som.

Obs.: As ondas mecânicas não se propagam no vácuo.

 

b) Onda Eletromagnética

Este tipo de onda não necessita de um meio físico para se propagar pois a propagação ocorre devido à vibração de um campo elétrico e de um campo magnético (daí o nome eletromagnética).

Exemplo: luz, raio X, ondas de rádio, ondas de TV.

Obs.: As ondas eletromagnéticas propagam-se mesmo no vácuo.

Futuramente nós estudaremos a velocidade de propa­gação de uma onda, mas vale adiantar que a velocidade de propagação de todas as ondas eletromagnéticas no vácuo é c = 3.108 m/s.

 

3) Elementos de uma Onda:

a) Amplitude (a)

A amplitude de uma onda é a distancia entre o eixo da onda até uma crista ou vale. Em outras palavras podemos dizer que ela equivale à “altura” do pulso de onda.

*O eixo das abcissas (x) é chamado de eixo da onda.

 

b) Comprimento da onda ( λ – lambda)

λ é o comprimento de um pulso completo da onda .

 

c) Frequência (f)

A freqüência pode ser entendida como sendo o número de oscilações (ou pulso) completas que a onda executa em um segundo. Sua unidade no SI é S-1 ou Hertz (Hz).

 

d) Período (T)

O período de uma onda é o tempo que a onda demora para realizar uma oscilação (ou pulso) completa. Podemos verificar que o período é o inverso da frequência, logo:

\(f=\frac{1}{T}\)

ou

\(T=\frac{1}{f}\)

4) Velocidade de Propagação da Onda:

A velocidade de propagação de uma onda pode variar con­forme o meio em que ela se encontra. A velocidade de propagação de uma onda pode ser dada por:

\(V=\frac{\lambda }{T}\)

onde:

λ = comprimento da onda

T = período

ou

\(V=\lambda \times f\)

onde:

λ = comprimento da onda

f = frequência

 

5) Acústica:

Acústica é o estudo do som. Todo ruído é uma vibração que se propaga produzido por uma onda sonora. O movimento das moléculas do ar chega até nossos ouvidos, que captam a vibração.

Não ouvimos qualquer vibração do ar! Isso é verdade pois nosso ouvido só ouve vibrações maiores que 16Hz e menores que 20.000 Hz.

No entanto, cães podem ouvir até 25.000 Hz e morcegos até 50.000 Hz. Os ultrassons podem ser captadas por aparelhos sensíveis e tem inúmeros aplicações em medicina. Já os infrassons são usados na detecção de terremotos.

 

 

6) Fontes Sonoras:

Fontes sonoras são objetos que produzem vibração no ar. As mais comuns são:

  • cordas: presentes em instrumentos musicais. Ex: viola, violino
  • diapasão: instrumento usado para afinar instrumentos musicais.
  • diafragma: são as membranas usadas em tambores.

Ex: bongo

  • Tubos sonoros: são os instrumentos de sopro.

Ex: flauta

 

 

7) Propagação do Som:

O Som é uma onda mecânica, ou seja, a propagação se dá através da vibração das moléculas. Se lembramos, os três estados físicos da matéria veremos que nos sólidos as molé­culas estão muito próximas, nos líquidos elas estão relativa­mente afastadas e nos gases a distância entre as moléculas é grande. A partir disso podemos responder a pergunta:

Velocidade do som no ar = 340 m/s
Velocidade na água = 1500 m/s
Velocidade no aço = 5000 m/s

Estas velocidades, no entanto, variam com a temperatura do meio. A partir da ilustração acima e lembrando que a onda sonora se propaga através da vibração das moléculas,con­cluímos que quanto mais denso e compacto o meio maior será a velocidade da onda sonora nele.

 

 

8) Qualidade Fisiológica do Som:

a) Altura

A altura é a qualidade que diferencia os sons agudos dos graves.

 

b) Intensidade

É a qualidade que distingue os sons fortes de sons fracos.

A intensidade é medida em W/m², porém podemos en­contrar também a unidade Decibel (dB),em homenagem a Alexander Graham Bell. A tabela abaixo mostra os níveis sonoros em alguns ambientes:

Níveis Sonoros (dB) W/m²
Limiar da audição (0) 10-12
Farfalhar de folhas (10) ——–
Conversa (60) ——–
Show de Rock (110) ——–
Limiar da dor (120) 1
Turbina à jato (130) ——–

c) Timbre

É a qualidade que permite distinguir a origem do som. Exemplo: ao ouvir uma nota lá de piano você a diferen­cia de uma nota lá de violão, pois os instrumentos tem tim­bres diferentes, devido ao seu formato e tamanho diferentes.

 

9) Eco:

O eco é a reflexão do som, ou seja, quando falamos provo­camos uma vibração no ar. Se esta vibração encontrar um obstáculo será refletida de volta então poderemos ouvir o mesmo som novamente. Veja:

Podemos pensar que a propriedade de reflexão do som é pouco utilizada, porém diversos animais a usam para orien­tação. O fenômeno da ecolocalização ou biosonar é obser­vado em morcegos, baleias e golfinhos. A observação desta capacidade natural permitiu aos seres humanos o desenvol­vimento do radar, sonar e aparelhos de ultra-sonografia.

 

a) Reverberação

Você já deve ter notado que paredes de um teatro são revesti­da de espumas ou carpete. Isto porque quando há espetáculo as vibrações sonoras, ao colidirem com as paredes, poderiam voltar causando interferências. Esta é a chamada reverbera­ção ou má acústica. Com a presença de espuma as moléculas de ar são amortecidos no choque com as paredes.

 

b) Distância mínima para que aconteça o eco

O ouvido humano só é capaz de distinguir sons emitidos num intervalo de 0,1 segundos. Logo, se a velocidade do som no ar é de aproximadamente 340 m/s, então em 0,1 segundos o som percorre 34m. Logo a distância mínima que um obstá­culo deve estar de nós para que ouçamos o eco é 17m.

\(\Delta S=V\times t \Rightarrow s=340\times0,1\Rightarrow s=34m\)

[GER-FI] 3.1 – Apostila

DILATAÇÃO

Quando um corpo é aquecido, suas moléculas vibram com mais intensidade fazendo com que a distância entre elas aumente.

Devemos notar que a variação nas dimensões é pequena, porem esta mudança provoca um aumento no volume dos corpos e pode ser classificadas em três tipos: linear, superficial e volumétrica.

 

1) Dilatação Linear:

É observada praticamente em uma só direção:

ΔL=L0 ⍺Δθ

onde:

ΔL – variação do comprimento

L0 – comprimento inicial

– coeficiente de dilatação linear

Δθ – variação da temperatura

2) Dilatação Superficial:

Aquecendo-se uma chapa de metal ela sofre dilatação em todas as direções mas em um mesmo plano.

ΔA=A0 β Δθ

onde:

ΔA – variação da área

A0 – área inicial

β* – coeficiente de dilatação superficial

Δθ – variação da temperatura

*β=2⍺

Se aquecermos uma chapa com furo, a dilatação fará que as dimensões da chapa e do furo aumentem.

 

3) Dilatação Volumétrica:

O corpo sofre dilatação em todas as direções e planos.

ΔV=V0 Δθ

onde:

ΔV – variação do volume

V0 – volume inicial

* – coeficiente de dilatação volumétrico

Δθ – variação da temperatura

*=3⍺

 

4) Dilatação Térmica dos Sólidos:

Quando aquecemos um sólido qualquer, as suas dimensões geralmente aumentam. A este aumento das dimensões de um sólido, devido ao aquecimento, chamamos de dilatação térmica.

As propriedades físicas de um corpo, tais como comprimen­to, dureza, condutividade elétrica, todas podem ser alteradas em função da alteração na temperatura desse corpo.

Alguns Exemplos:

Os sistemas antigos de trilhos de trens mantém entre cada lance um pequeno espaço vazio. Isso se deve ao conhecimento que temos de que, quando aquecido, o ferro irá aumentar seu comprimento e, não havendo para onde se expandir, poderá causar danos à via férrea. (modernamente utilizam-se as cur­vas para dar vazão ao aumento no comprimento dos trilhos quando da dilatação).

 

⇒ As calçadas de cimento possuem, de longe em longe, peque­nas canaletas, de cerca de 1cm. Isto evita que no verão, subme­tidas às altas temperaturas, as mesmas dilatem e se quebrem, sem ter para onde expandir.

 

⇒ Todos lembramos de uma experiência que fazíamos no primeiro grau, na qual havia uma esfera de metal presa a uma haste . Esta esfera, à temperatura ambiente, passava perfeita­mente por dentro de uma argola. Após aquecida notávamos que já não era possível a mesma passar. Concluíamos que isso se devia à dilatação sofrida pela esfera, o que se dava nas três direções, ou seja, uma dilatação volumétrica.

A esfera metálica passa pela argola com folga. Após o aque­cimento e a consequente dilatação, a esfera metálica não atravessa mais a argola.

Em todos os casos exemplificados acima estamos verifican­do uma variação nas dimensões dos sólidos estudados. No primeiro houve, principalmente, uma dilatação linear, no segundo, superficial e no terceiro volumétrica.

Destacamos que essa dilatação é notadamente numa direção, pois, na realidade, a mesma se dá em todos os sentidos em qualquer um dos três casos. Para efeitos didáticos costuma-se estudar apenas aquela direção na qual a dilatação (ou contração) se dá em maior proporção.

Ao observarmos cercas elétricas notamos que possuem em cada fio uma pequena mol. No verão o fio dilata e no inver­no o fio contrai, a função da mola é não permitir que o fio quebre ou fique frouxo.

[GER-FI] 2.1 – Apostila

ESCALAS TERMOMÉTRICAS

 

Pense:  A temperatura normal do corpo humano é de aproximadamente 36,5 ºC. em uma viagem para os EUA você vai ao médico e ao medir sua temperatura, que é de 97 ºF, você assusta. Você está com febre?

Sabemos que a temperatura indica o grau de agitação molecular de um corpo. Quanto maior a agitação maior é a temperatura. Para medir temperatura usamos termômetros.

1) Termômetros:

Existem diversos tipos de termômetros (a gás, infraverme­lho, álcool, mercúrio) porém nos concentraremos por aquele formado por um tubo fino (capilar), uma escala termomé­trica e um líquido sensível a variação de temperatura, álcool colorido ou mercúrio.

O funcionamento dos termômetros é bastante simples: quando o termômetro é colocado em contato com um corpo que está a uma temperatura mais alta que a sua, o lí­quido em seu interior (mercúrio ou álcool) dilata-se subindo pelo capilar até entrar em equilíbrio térmico com o corpo e indicando uma temperatura mais alta. Quando colocado em contato com um corpo mais frio, ocorre o inverso. O líquido contrai-se e baixa a indicação no capilar.

 

⇒ Termômetro clínico: esse termômetro é usado para medir a temperatura do corpo humano. Sua escala é graduada entre 35º e 42º.

 

2) As Escalas Termométricas:

São escalas para medir a temperatura. Quase todas as escalas termométricas são arbitrárias. Veja como foi construída a escala Celsius.

a) Escala Celsius

O astrônomo Anders Celsius colocou um termômetro em um copo com água e gelo ao nível do mar (pressão de 1 atm), marcou a altura de mercúrio no capilar e chamou esta marca de 0º Celsius.

A seguir ele colocou o mesmo termômetro em um copo contendo água fervendo (em ebulição) e marcou a nova altura do mercúrio no capilar, chamando esta marca de 100 ºC.

A seguir ele dividiu o espaço entre as duas marcas em cem partes iguais. Cada parte passou a corresponder a 1 ºC.

 

b) Escala Fahrenheit

Nesta escala o ponto 0 corresponde a uma mistura de gelo e cloreto de amônio que tem uma temperatura muito mais baixa que o gelo puro, Por isso nesta escala o gelo puro tem temperatura de 32 ºF. A água fervendo possui temperatura de 212 ºF. Esta escala é muito usada na Inglaterra e nos EUA.

 

c) Escala Kelvin

É a chamada escala absoluta, Trata-se de uma escala científi­ca, pois Kelvin observou que a agitação das moléculas de um corpo diminui com a diminuição da temperatura. Portanto, em algum instante, o movimento de agitação das moléculas cessa. Neste ponto, Kelvin marcou o 0 de sua escala que ficou conhecido como zero absoluto.

Veja estas comparações:

0º C → 273 K

100 ºC → 373 K

Nota: Na escala Kelvin não se usa “graus Kelvin” mas simplesmente Kelvin.

 

3) Conversão entre escalas:

A partir da seguinte relação entre as escalas termométricas é possível obter uma fórmula para converter valores entre uma escala e outra.

Pelo Teorema de Tales, temos então que:

\(\frac{C-0}{100-0}=\frac{F-32}{212-32}=\frac{K-273}{373-273}\)

Simplificando por 20 temos:

\(\frac{C}{5}=\frac{F-32}{9}=\frac{K-273}{5}\)

 

CALORIMETRIA

Calorimetria é o ramo da física responsável pelo estudo das trocas de energia entre os corpos. O calor passará do corpo A para o corpo B quando forem colocados em contato, pois A possui mais energia calorífica que B.

1) Quantidade de calor:

a) Caloria (cal)

Uma caloria é, por definição, a quantidade de calor necessá­ria para elevar de 1ºC (de 14,5 ºC para 15,5 ºC) a temperatu­ra de 1g de água sob pressão normal, ou seja:

No Sistema Internacional de unidades (SI) não utilizamos caloria, e sim o Joule (J) onde 1cal = 4,18J.

 

b) Calor específico

Massas iguais de substâncias diferentes necessitam de diferen­tes quantidades de calor para atingir a mesma temperatura. Veja:

Calor específico de uma substância e a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1g de uma substân­cia de 1 ºC.

 

No exemplo da figura temos que o calor específico do Ferro é muito menor que o da água. Por isso ele aquece mais e mais rápido. Veja o calor específico de algumas substâncias:

Água: 1 cal/g ºC

Álcool: 0,6 cal/g ºC

Ferro: 0,117 cal/g ºC

Cobre: 0,09 cal/g ºC

 

2) Brisa litorânea:

A diferença de calor específico entre a areia e a água do mar é responsável pela brisa que se forma no litoral.

Durante o dia, o sol faz com que a areia e a água do mar esquentem, entretanto, o calor específico da areia é menor que da água. Sendo assim, a areia esquenta mais rapidamente fazendo com que o ar sobre si fique quente e ascenda, isso gera uma zona de baixa pressão que é ocupada pelo ar mais frio que estava sobre o mar, gerando uma corrente de ar com sentido mar → areia.

No período noturno, o fenômeno é inverso. A água do mar por ter maior calor específico demora mais tempo para esfriar, dessa maneira o ar sobre a água é mais quente e ascende. O ar que estava sobre a areia por ser mais frio migra para o mar por convecção térmica. Assim, durante a noite, a brisa tem sentido areia → mar.

 

3) Vaso de Dewar (garrafa térmica):

O vaso de Dewar ou garrafa térmica é um dispositivo utiliza­do para manter a temperatura do seu conteúdo inalterada o maior intervalo de tempo possível. Para tanto, as paredes do sistema devem ser adiabáticas, não permitindo transmissão de calor com o meio ambiente.

Como a energia térmica pode ser trocada por condução, convecção e radiação, foram usados os seguintes artifícios:

1) Para evitar a saída ou entrada de calor por condução, o líqui­do foi envolvido por vácuo. Por isso a garrafa térmica possui parede dupla de vidro (péssimo condutor) entre as quais se faz o vácuo.

2) Para evitar a convecção (processo que exige trocas de partí­culas), deve-se manter sempre bem fechada a tampa da garrafa.

3) Para evitar a radiação, as paredes são espelhadas, assim os raios infravermelhos e as demais radiações refletem-se no espe­lho, retornando ao meio de origem.

É bom observar que este sistema não é perfeito; assim, depois de algumas horas, o líquido interno acaba atingindo o equilíbrio térmico com o meio ambiente.

 

4) A Estufa:

Principalmente em países onde o inverno é muito rigoroso, são usadas estufas para o cultivo de verduras, legumes e flo­res. A estufa é um local fechado, com paredes e teto de vidro que recebem as radiações solares.

O vidro é transparente à luz visível e praticamente opaco às ondas de calor (raios infravermelhos). Porém, uma pequena parte de raios infravermelhos consegue passar pelo vidro e são os principais responsáveis pelo aquecimento do interior da estufa. Esses raios são absorvidos e depois são emitidos numa forma mais ampla de raios infravermelhos que pode­rão sair pelo vidro apenas numa pequena parte; o restante volta a ser absorvido pelas plantas.

 

 

5) Geladeira doméstica:

Nas geladeiras, o congelador é sempre colocado na parte superior, para que o ar se resfrie na sua presença e desça, dando lugar ao ar mais quente, que sobe. Nelas os alimentos são resfriados pelo ar frio, que desce devido à convecção. As prateleiras são feitas em grades (e não inteiriças) para permitir a convecção do ar dentro da geladeira.

 

 

6) Equilíbrio térmico:

Quando dois corpos, em temperaturas diferentes, são postos em contato, observa-se que a temperatura do corpo mais quente diminui, enquanto que a temperatura do corpo mais frio aumenta. Essas variações de temperatura cessam quando as temperaturas de ambos se igualam (equilíbrio térmico).

Portanto, durante esse processo, o nível energético (grau de agitação molecular) do corpo mais quente diminui, en­quanto que o do corpo mais frio aumenta. Como a energia térmica de um corpo depende, além da sua massa e da subs­tância que a constitui, da sua temperatura, conclui-se que as variações de temperatura estão associadas às variações de energia térmica.

Concluindo, a diferença de temperatura entre dois corpos provoca uma transferência espontânea de energia térmica do corpo de maior temperatura para o corpo de menor tempe­ratura. Essa quantidade de energia térmica que se transferiu é chamada de calor.

[GER-FI] 1.1 – Apostila

INTRODUÇÃO À FÍSICA

Talvez você nunca tenha notado que está cercado de fenôme­nos físicos, como a queda de um objeto ou uma partida de basquete. Nesse curso, buscaremos entender um pouco sobre uma ciência que para alguns é amedrontadora; porém com o pas­sar do tempo você estará familiarizado com a Física.

 

1) O que é Física?

Podemos definir Física como a ciência que estuda fenô­menos naturais relacionados com diversas áreas como: o movimento, interação entre partículas, trocas de energia, mudança de estado da matéria, etc. Essa ciência abrange praticamente o mundo a nossa volta e nos permite desenvolver diversas tecnologias.

 

a) Matéria

É tudo o que ocupa espaço e possui massa. Os corpos são formados por moléculas e moléculas são for­madas por átomos. A disposição das moléculas em um corpo define seu estado físico, podendo se sólido, líquido ou gasoso.

 

⇒ Sólido: Moléculas próximas. Forma bem definida.

⇒ Líquido: Moléculas relativamente afastadas. Adquiri a forma do recipiente (forma variável).

⇒ Gasoso: Moléculas afastadas. Ocupa todo volume do recipiente.

As moléculas presentes nos corpos não estão estáticas (para­das), elas possuem diversos movimentos (vibração, rotação, translação) dessa maneira elas possuem energia.

 

2) Transformação de Estados Físicos:

a) Vaporização

  • Evaporação: processo lento.

Ex.: água de um rio evaporando.

  • Ebulição: processo rápido.

Ex.: água no fogo.

  • Calefação: Processo instantâneo.

Ex.: uma gota de água jogada em uma chapa quente.

Como sabemos, se deixarmos uma pedra de gelo ao sol ela irá derreter (fundir) e virar água líquida. Por que isso ocorre?

O sol fornece para o gelo energia térmica (calor) fazendo com que ocorra a transformação de estado.

3) Calor:

O que é calor? O calor é por definição, o fluxo de energia entre os corpos com temperaturas distintas. A transferência de energia ocorre do meio mais quente para o meio mais frio.

a) Temperatura

É a medida da agitação molecular de um corpo.

Agitação alta = temperatura alta = quente

Agitação baixa = temperatura baixa = frio

Com os conceitos de temperatura e calor bem definidos, podemos pensar em fontes de calor.

 

4) Fontes de Calor:

a) Fontes naturais

As fontes naturais de calor que temos são:

  1. O sol
  2. O núcleo da Terra

 

b) Fontes artificiais

  • Atrito: friccionando as mão há produção de calor (energia mecânica é transformada em energia térmica)
  • Eletricidade: o fluxo de elétrons dentro de uma resistência produz calor, como no caso do chuveiro elétrico. Esse fenô­meno é chamado de Efeito Joule.
  • Reações químicas: muitas reações transformam energia química em energia calorífica (combustão).

Anteriormente vimos que o fluxo de calor ocorre do meio mais quente para o meio mais frio. Essa propagação pode ocorrer por três mecanismos básicos: condução, convecção e irradiação.

 

c) Condução

Ocorre principalmente nos sólidos. Devido a sua organiza­ção molecular, o calor é transferido molécula a molécula.

Os sólidos transmitem o calor por condução rapidamente, pois suas moléculas estão muito próximas. Nos líquidos e gases a condução de calor é menor do que nos sólidos, devido às maiores distancias entre as moléculas. Vale ressaltar que nesse processo não há deslocamento de massa microscópica.

Bons Condutores Maus Condutores
Metais
Mercúrio (único metal líquido à temperatura ambiente)
Vidro
Plástico
Borracha
Madeira
Isopor
Gases/Líquidos

 

d) Convecção

Ocorre apenas nos fluídos, gases e líquidos). Nesse método há deslocamento de massa.

Quando aquecemos um líquido, a parte inferior, que está mais próxima da chama se aquece, torna-se menos densa e desloca-se para cima, enquanto a camada superior, mais fria e, portanto, mais densa desce.

O líquido fica movendo-se e assim o calor se propaga. A convecção não ocorre em sólidos, pois nestes não há mo­bilidade da matéria.

Um bom exemplo de convecção térmica é o ar condicionado, que resfria o ar, que fica mais denso e desce, enquanto o ar quente sobe, estabelecendo uma corrente de convecção.

 

e) Irradiação

Quando um corpo está aquecido ele emite ondas eletromag­néticas na maioria na forma de raios infra- vermelhos. Note que estas ondas atravessam inclusive o vácuo, por isso o calor do Sol chega até nós.