Física - Interação e Tecnologia - Volume 2, Notas de estudo de Física

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Aurélio Gonçalves Filho CarlosToscano

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Física: Interação e Tecnologia - Volume 2 © 2013 Leya

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Direção editorial Duda Albuquerque Coordenação editorial de exatas e biológicas Ronaldo Rocha Edição Larissa Calazans Edilene Santos Assistência editorial Ana Airam Isabella Semaan Márcia Prado Ximenes Colaboração técnico-pedagógica Edson Nakamura Leonardo Testoni Colaboração técnica Andretzza Cacione Ricardo Limão Valter Barroso Coordenação de arte e capa Thais Ometto Imagem de capa Getty Imagesl MEHAU KULYKI Science Photo Library RM Projeto gráfico Silvio Testa Edição de arte Renné Ramos Simone Scaglione Assistência de arte GabrielaRibeiro César Lucas Fozzati Thaís Nori Cornetta Iconografia Mariana Alencar Alexandre Baptista .Renan Arnault Editoração eletrônica Estação das Teclas Ilustrações ArturKÉmji Cecília Andrade Herbert Tsuji Klayton Luz Paula Radi Gerência de revisão Miriam de Carvalho Abões Coordenação de revisão Beto Celli Revisão Ornella Miguellone Valdivânia Faustino Graziela Marcolin Revisão técnica Walmir Thomazi Cardoso

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Título original da obra: Física: Interação e Tecnologia - Volume 2 São Paulo' 1.a^ edição * 2013 Todos os direitos reservados: Leya Rua Dr. Olavo Egídio, 266 - Santana CEP 02037-000 - São Paulo - SP - Brasil Fone + 55 11 3129- Fax + 5511 3129- www.leya.com.br leyaeducacao@leya.com

ISBN 978-85-8181-163-5 (aluno) ISBN 978-85-8181-164-2 (professor)

Impressão e acabamento Oceano Indústria Gráfica

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Gonçalves Filho, Aurelio Física: interação e tecnologia, volume 2 I Aurelio Gonçalves Filho. Carlos Toseano. - 1. ed. - São Paulo: Leya, 2013. Suplementado pelo manual do professor. Bibliografia. ISBN 978-85-8181-163-5 (aluno) ISBN 978-85-8181-164-2 (professor)

1. Física (Ensíno Médio) I. Toscano, Carlos. 11. Título.

13-03777 CDD-530. índice para catálogo sistemático:

1. Física: Ensino Médio 530.

Em respeito ao meio ambiente, as folhas deste livro foram produzidas com fibras obtidas de árvores de florestas plantadas, com origem certificada.

Permite a construção do conhecimento favorecendo a percepção da Ffsica como uma área do conhecimento, na qual um conjunto de conceitos, leis e modelos estão intimamente relacionados entre si. A construção do conhecimento científico é adequadamente problematizada, com uma visão geral das metodologias científicas.

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3. A re resenta ão da lu

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o Os capítulos

Questões motivadoras, presentes no início de cada tópico exploram situações do cotidiano como ponto de partida do processo ensino- -aprendizagem favorecendo o desenvolvimento dos conteúdos dos temas centrais da Física clássica e moderna.

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" Atividade experimental Propostas no desenvolvimento do conteúdo de cada capítulo são, de um modo geral, trabalhos experimentais, montados quase exclusivamente com material do cotidiano do estudante, de modo que podem ser realizados na própria sala de aula ou como tarefa extraclasse.

o Exercícios Figuram no final de cada tópico do capítulo e auxiliam na compreensão e memorização dos conteúdos abordados na seção,

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" Algoa+ Boxes de leitura presentes na maioria dos capítulos que ampliam os conteúdos tratados naquele tópico.

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o Texto e interpretação Boxes de leitura presentes em todos os capítulos que abordam aspectos históricos, as controvérsias científicas e o contexto social de produção do conhecimento. No final do texto são propostas questões e exercícios que favorecem a compreensão dos principais tópicos abordados no texto.

o Exercícios de revisão Aparecem após o desenvolvimento do conteúdo de cada capítulo e apresentam exercícios que servem para reforçar o aprendizado de todos os tópicos abordados no capítulo, favorecendo uma visão global do tema estudado, além de possibilitar aos alunos avaliar o conteúdo exigido em exames de vestibulares e no Enem.

A.

o Projetos No final do livro há dois projetos para serem desenvolvidos em momentos oportunos do curso, objetivando contextualizar e integrar os temas de Física com as demais disciplinas.

Ícones utilizados nesta coleção

Não escreva no livro. •• ••^ tI Atividadegrupo.^ em

Os elementos da imagem estão representados com cores-fantasia, ou seja, essas não são suas cores reate.

Atividade em dupla.

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Atenção.

Os elementos representados na imagem não guardam relação de proporção entre si.

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o Na internet Ao final do capítulo, essa seção contém indicação de

sites que apresentam

conteúdos, simuladores e vídeos podendo ser utilizados em momentos oportunos do curso para complementar um assunto ou para avaliar o conhecimento prévio dos alunos.

Atividade Interdisciplinar

**1. Luz como partfcula 178

1. Espelhos** (^112) **2. A difração da luz 180
2. A construção da imagem nos** (^) Algo a +: Outras situações envolvendo espelhos planos - as leis da reflexão 116 Algo a +: Imagens em espelhos planos ondas^^182 associados 119 Propriedades^ de uma^ onda^^182 **3. A interferência luminosa 187
3. A construção da imagem nos** (^) Algo a +: Interferência de ondas espelhos esféricos (^122) na água 188 Algo a +: Construção de imagens (^) 4. A polarização da luz 190 em espelhos esféricos^125 Algo a +. A explicação ondulatória 4. Localização e caracterização (^) para a reflexão 191 de imagens nos espelhos esféricos 131 Texto e interpretação: Espelhos 5. A refração^ da luz branca no prisma parabólicos e os faróis de carro 135 e na atmosfera^193 A cor dos objetos 194 Exercícios de revisão (^138) Algo a mais: O arco-íris 194 Na internet (^140) O azul do céu e as cores do Sol **195
4. A velocidade da luz na refração 197 Texto e interpretação:** Luz: onda ou partícula? (^) 200 Exercícios de revisão 204 Na internet 206 7 **1. Introdução
5. Leis da refração da luz Algo a** +: Há regularidade na refração da luz? 3. Imagens obtidas por refração Corno são formadas as imagens obtidas pelas lentes? Algo a +. Construção de imagens em lentes esféricas delgadas 4. Caracterização das lentes esféricas delgadas e de suas imagens Algo a +: Por que a lente fotocromática escurece na presença de grande intensidade luminosa e se torna incolor nos ambientes onde a intensidade diminui? 5. Reflexão total Algo a +: Lãminas de faces paralelas e prismas Texto e interpretação: Máquina fotográfica, microscópio e telescópio Exercícios de revisão Na internet

NÃO ESCREVA NO LIVRO

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Projeto: As máquinas que nos rodeiam Projeto: Som para todos os gostos Tabela de funções trigo nométricas Respostas dos exercfcios Bibliografia indicada Bibliografia consultada Significado das siglas

Mecânica CAPÍTULO

1. Forças e interações
2. Força gravitacional (para corpos próximos da Terra)
3. Força normal, força de atrito e resistência do ar
4. Impulso de uma força
5. Quantidade de movimento de um objeto e sua variação
6. Lei fundamental dos movimentos ou segunda lei de Newton
7. Outra formulação da segunda lei de Newton
8. Queda livre e plano inclinado

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1. Lei da ação e reação
2. Lei da inércia
3. Conservação da quantidade de movimento

1.As órbitas dos planetas e dos satélites: as leis de Kepler

2. Lei da gravitação universal
3. Campo gravitacional
4. Força centrípeta
5. Equilíbrio de forças
6. Torque (ou momento) de uma força e equilíbrio estático
7. Fluidos, densidade e pressão
8. Princípio de Pascal
9. Princípio de Arquimedes
   1. Energia, formas de energia e conservação
10. Conservação da energia mecânica
11. Energia potencial de interação elástica e energia dissipada
    1. Trabalho: Medida da energia transferida e/ou transformada
    2. Cálculo do trabalho por meio da energia potencial de interação gravitacional
    3. Cálculo do trabalho por meio da força e no deslocamento
12. Potência

CAPÍTULO complementar

. Cinemát/ca vetarial 1. Veto r posrçao

2. Vetor deslocamento
3. Vetares velocidade média e instantânea

CAPÍTULO complementar Cinemátlca escalar

1. Galileu e o estudo dos movimentos
2. Movimento retilíneo uniforme
3. Movimento retilíneo uniformemente variado
4. Lançamento horizontal e oblíquo
5. Movimento circular uniforme

Projetos Tabela de funções trigonométricas Respostas dos exercícios Bibliografia indicada Bibliografia consultada Significado das siglas

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"O objetivo da ciência é, por um lado, uma compreensão, a mais completa

possível, da conexão entre as experiências dos sentidos e sua totalidade e, por

outro lado, a obtenção desse objetivo usando um mínimo de conceitos e relações

simples."

(Albert Einstein)

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Uma ciência em

transformação A Física é uma das ciências que mvesn- gam os fenômenos da Natureza, prrncrpal- mente no que se refere a análise de aspectos da matéria, da energia e da transformação em fenômenos mecânicos, térmicos, lumi- nosos, elétricos e magnéticos. Além de seu próprio campo de pesquisa, ela auxilia outras Ciências da Natureza, como a Química, a As- tronomia, a Geografia e a Biologia. Como toda área do conhecimento, a Físi- ca foi construída à medida que novas desco- bertas eram feitas e antigas noções eram deixadas de lado. Isso não quer dizer que esse processo ocorreu de maneira linear e progressiva, pelo contrário: muitas ideias consideradas certas mostraram-se erradas

com o tempo e vice-versa. Em todas as épo- cas, seres humanos empregaram grandes esforços para atingir um objetivo impossível: encontrar a verdade absoluta. O conhecimento é um dos principais agentes transformadores da realidade. Quan- do essas transformações são bastante signi- ficativas, costumamos chamá-Ias de revolu- ções. Histoncarnente podemos hstar um grande número de revoluções sociais: a Revo- luçào Francesa - movimento social burguês que retirou do poder a rnonarquia absolutista, a RevoluçãO Russa de 1917 - que instituiu o socialismo após a queda do governo Imperial dentre munas outras. No Brasil também en- contramos na hrstonografra a ocorrência de várias revoluções. A título de exemplo pode- mos citar a Revolução Farroupilha (ou Guerra dos Farrapos) no RIo Grande do Sul, entre mo- narquistas e republicanos e a Revolução de

NAO F.SCRfVA NO LIVRO

que modificou a forma de pensar o Universo. religiosos. Discutimos também a importância que o Instrumento óptico utilizado por Gallleu Cali- lei contribuiu para que estas mudanças fos- sem estabeleci das. A luneta de Galileu era um Instrumento relativamente simples, constituído apenas por duas lentes. Mesmo assim, conseguiu observar as montanhas e crateras da Lua, as fases de Vênus, manchas solares, as quatro grandes luas de .lúprter e os anéis de Saturno, apesar de não ter com- preendido exatamente o que eram. Sir Isaac Newton substituiu a lente objetiva (que re- cebe a luz do astro) por um espelho esférico côncavo e aperfeiçoou o Instrumento, rece- bendo o nome de telescópio. Christian Huyghens, utilizando um telescópio, obser- vou os anéis de Saturno com maior detalha- mento que Galileu. Não se trata de uma re- volução, mas de um belo aperfeiçoamento. Charles Darwin e Sigrnund Freud também

1932 em São Paulo, quando as forças desse estado se Insurgiram contra o Presidente Ge- túlio Vargas. Todas essas são objeto de estu- do, e não raro, aparecem novas Informações, contextuahzaçces e interpretações.

Figura 1: A Revolução Francesa e a Revolução Farroupilha foram movimentos sociais contra a ordem vigente em seus respectivos países. Em ambos os casos é preciso estudar com muita atenção as causas e consequências desses atos para compreender melhor os momentos políticos passados e atuais. Com a ciência e tecnologia não podia ser diferente. Grandes revoluções ocorreram nessas áreas do conhecimento e que mere- cem ser avaliadas. No primeiro volume desta coleção, conhecemos um pouco da Revolu- ção Copernicana (ou Revolução Científica),

são responsáveis por revoluções nas áreas das ciências biológicas e médicas, mais pre- cisamente na evolução das espécies e PSI- canálise, respectivamente. Diferente das re- voluções históricas, as revoluções científi- cas são vinculadas apenas ao seu autor principal. Parece sempre que um homem consegue, sozinho, sustentar a roera funda- mental que põe em xeque todas as outras. Sabemos que ISSOnão é verdade, mas que é uma mentalidade difíCil de se transformar ...

Figura 2: Com a obra A origem das espécies, Charles Darwin, partindo de um conjunto grande de observações e pesquisas de outros cientistas, elaborou uma teoria que explicava a evolução dos seres por meio da seleção natural. Uma parte da sociedade foi radicalmente contra suas ideias por acreditar que iam contra princípios

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Figura 3: Sigmund Freud inicialmente não contou com o apoio de seus colegas médicos, mas, com o passar do tempo, suas ideias repercutiram e se tornaram fortes o suficiente para indicar uma nova forma de pensar as psicopatologias. Mas há uma revolução em particular que mistura história com crencia e tecnotog:a, que não exalta o nome de alguém específico

• apesar do esforço de murros - e que, segundo

Há um último detalhe da fase da Revolu-

çao Industrial que contava com o vapor que

precisa ser explorada: a locomotiva a vapor, ou, como foi apelidada no Brasil, a maria-fu- maça. A locomotiva fOI até o final da Segunda Guerra Mundial o meio mais eficiente e rápi- do de transportar pessoas e produtos por lon- gas distâncias - o recorde de velocidade foi estabelecido em 203 km/h. No Brasil, com o fortalecimento econômico trazido pelas plantações de café, o estado de São Paulo foi beneficiado com uma grande malha ferroviá- ria, que fazia a produção escoar até o porto de Santos. Para os especialistas, a Segunda Revolu- ção Industrial inicia com a introdução do pe- tróleo como fonte de energia, modificando estruturas políticas e econômicas vigentes. A Terceira Revolução Industrial, também co- nhecida como revolução tecnocientífica é a mais complexa, pOISconta com os avanços tecnológicos atingidos graças aos sistemas Informatizados, economia globalizada real e virtual.

Física térmica

e óptica Esses são os temas abordados neste vo- lume. É relevante destacar que esses dois as- suntos estão intimamente ligados aos nos- sos sentidos de tato e visão, e que por mais desenvolvidos que estes sejam no ser huma- no, os órgãos de recepção, pele e olhos, res- pectivamente, podem não ser suficientes para a correta avaliação de uma situação físi- ca. MaiS uma vez, os cientistas buscaram construir modelos teóricos e instrumentos de medidas ou de observação que ajudaram a compreender melhor o comportamento da natureza e, deste modo, aproveitá-Ia de ma- neira mais vantajosa. Na FíSicaTérmica, cura teoria desenvol- veu-se principalmente nos séculos XVIII e XIX como vimos, estudamos as concepções ftsicas de calor, um modelo de constituiçãO da matéria, como a matéria está organizada e

\IAO ESCREVA NO LIVRO.

que alterações ocorrem nela quando é aque- crda, resfriada ou quando muda de estado fí- sico. O campo de aplicação da ftsica térmica é extremamente abrangente, pOISé utilizada na construção de motores (a gasolina, álcool, diesel e gás natural), termômetros, radiado- res, refrigeradores, coletores solares, panelas de pressão etc. Além disso, a Física térmica permite a compreensão de vários fenômenos naturais, como os ciclos da água e do ar e o efeito estufa. Para compreendermos os fenômenos térmicos, utilizamos vários conceitos já estu- dados no volume 1 (mecânica), como movi- mento, choque, energia cinética e potencial de mteraçao. As duas lers gerais que com- põem a estrutura conceitual da Física térmi- ca arnplram e complementam o conheci- mento da natureza propiciado pela mecânica. A primeira lei da terrnodrnarnica constitui-se numa ampliação do princípio da conservação da energia, e a segunda lei introduz a ideia da irreversibilidade dos processos naturais. É nessa área do conhecimento físico que ou- tras disciplinas como a Química e a Cosmolo- gia servem-se de modelos teóricos e de re- sultados experimentais para aprofundar seus campos de pesquisa e muitas vezes apresen- tar novas teorias que estimulam nossa curio- sidade e nos surpreendem com seu grau de complexidade, como a teoria do Bíg Bang. Na óptica, a compreensão física do fenô- meno da visão, a correção de alguns de seus principais defeitos - como a miopia, a hiper- metropia e o asugrnatisrno - e a construção dos vários instrumentos ópticos - como a luneta, o telescópio, o microscópio e a má- quina fotográfica - constituem parte de seu campo de atuação e ajudaram a formar uma visão cada vez mais apurada sobre o cosmos e sobre o interior da matéria. Do ponto de vista teórico, as diferentes teses elaboradas acerca da natureza da luz, corpuscular, ondulatória e dual (onda e par- tícula) permitem visualizar o processo de formação do conhecimento da natureza SIS- tematizado pelos físicos. Com seus estudos, eles pretendem compreender os diferentes tipos de interação que a luz realiza com a

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~ Apresentação

I

matéria, como a reflexão, refração, difraçào, Interferência e absorção. Edwm Powell Hub- ble, o astrônomo cujo nome foi dado ao pri- meiro telescópio espacial, além de ter des- coberto que as então conhecidas "nebulo- sas" eram outras galáxias fora do sistema da Via Láctea, concluiu que elas estavam se afastando umas em relação às outras anali- sando a luz por meio de um efeito caracte- rístico das ondas, o Efeito Doppler. Este mes- mo efeito é utilizado no exame conhecido como ecocardiograrna, que avalia a direção e a velocidade do fluxo sanguíneo ou do teci- do cardíaco. Tendo sido um tema de reflexão que acompanha a história da humanidade, a luz recebeu uma explicação científica mais sig- nificativa a partir do século XVII. A teoria da luz mais recente, que contou com a contri- buição de Einstein, é parte do que se denomi- na hoje Física Quântica. Todos os conceitos, princípios e ideras aqui destacados serão explanados de forma minu- ciosa ao longo dos capítulos deste volume,

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acompanhados por muitos exemplos práticos, Ilustrações, esquemas e exercícios que ajudam a testar, revisar e aprimorar os conhecimentos adquiridos.

Figura 7: Fotomicrografia de um cristal feita com microscópio de tunelamento eletrônico. Por meio de associação de lentes é possível enxergar escalas microscópicas da matéria.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

o tato é suficiente para determinar a temperatura dos objetos?

Figura 1

No nosso dia a dia, é comum utilizarmos o tato para sentir o grau de aquecimento dos objetos. Consideramos um objeto quente quando senti- mos que ele possui uma temperatura maior do que a de nosso corpo. Quan- do provamos uma comida, por exemplo, percebemos se está quente ou frra pelo contato com nossos lábios, que é uma região do corpo muito sensível. Nos dias quentes de verão, é muito agradável chegar em casa, tirar os tênis e as meias e andar descalço. O contato do pé com o chão propor- ciona sensações distintas: o carpete e o tapete, por exemplo, estão quen- tes, mas o piso da cozinha está frio (figura 1).Mas será que esses objetos estão de fato com temperaturas diferentes?

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Faça uma lista de diferentes objetos e materiais que estão à sua volta e anote as sensações térmicas (quente ou frio) obtidas pelo tato. Ao final, discuta com os colegas seus resultados.

Se você colocar uma das mãos num recipiente com água levemente aquecida, como aquela que sai de uma torneira elétrica, e a outra num recipiente com água fria, retirada por exemplo de uma jarra que estava em um refrigerador e, depois, puser as duas mãos num ter- ceiro recipiente contendo água morna, o que vai sentir em cada uma das mãos? Com o tato, você será capaz de medir a temperatura real da água morna?

Pegue três recipientes e coloque, em cada um deles, quantidades iguais de água: ,----:-"fria, retirada de uma geladeira, morna e aquecida, retirada de um chuve'iro ou tor- neira elétrica. Coloque, simultaneamente, uma das mãos no recipiente com água quente e a outra no recipiente com água fria. Em seguida, coloque as duas mãos no recipiente com água morna. O que se pode dizer sobre a temperatura da água morna levando-se em conta as sensações obtidas pelas mãos?

I. Evite manusear água em temperaturas que possam causar queimaduras nas mãos.

Essa experiência mostra que o tato não é um bom recurso para de- terminar a temperatura dos objetos, pois cada mão teve uma sensação diferente em relaçao à água morna. Se usássemos dois termômetros no lugar das mãos, entretanto, a indicação da temperatura da água morna seria a mesma, não Importando se foram colocados anteriormente na água quente ou na fria.

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No século XVIII, o calor era considerado uma espécie de substância invisível ou um tipo de fluido, como a luz, a eletricidade e o flogístico (fluido que se Imaginava ser o responsável pela combustão). Quanto maior a quantidade do fluido "calor" em um objeto, maior seria a temperatura deste. Num ambiente isolado, o objeto podia guardar essa substância "calor", mantendo sua temperatura constante. Em contato, dois objetos a temperaturas diferentes trocavam o fluido "calor", que Ia do corpo mais quente para o mais frio, até que suas tempera- turas ficassem iguais, ou seja, até que fosse atingido o equilíbrio térmico entre eles. Quando esse estado era alcançado, imaginava-se que a passagem dessa substância cessava. Essa teoria considerava ainda que o "calor" era atraído pela matéria e sua quantidade total era constante: ele não podia ser criado nem destruído. Embora a teoria do calor como uma substância explicasse satisfatoriamente o proces- so de equilíbrio térrmco, não fazia o mesmo com outros fenômenos, porque era preciso admi- tir que essa substância não tinha massa, pois, mesmo muito aquecido, um objeto tinha a mesma massa de outro a uma temperatura menor. Logo, a substância "calor", também deno- minada calórico, apresentava características muito especiais: penetrava facilmente na maté- ria, era atraída por ela, não podia ser criada nem destruída e nâo possuía massa. Como se sabe, as teorias da Física, buscam explicar satisfatoriamente a maior quantida- de possível de fenômenos, contudo esse conjunto de características especiais não contribuíam para sustentar a teoria do calor como substância. Além diSSO,naquele momento surgiu também a seguinte questão: Como a teoria do ca- lórico explicaria o aquecimento provocado pelo atrito entre dois objetos? Quando esfregamos as mãos, gradativamente elas se aque- cem. O mesmo fato se verifica quando furamos um metal com uma broca (figura 2). Esse trpo de aquecimento está relacionado ao atrito entre objetos. Benjamin Thompson (1753-1814), físico britânico-americano, que trabalhava numa fábrica de canhões, percebeu que, ao fazer um furo no cano de um canhão de metal, produzia-se um grande aqueci- mento, o que significava que a quantidade de calórico estava aumen- tando. A hipótese de que todo aquele calor já estivesse na peça levaria à conclusão de que o canhão deveria derreter antes mesmo de ser furado, o que era um absurdo. Assim, o próprio Thompson reelaborou o conceito de calor como sendo o movimento das partículas que constituíam os materiais. Apesar disso, a teoria do calor como substância foi, de forma equi- vocada, aceita pelos pesquisadores durante todo o século XVIII. E,ainda hoje, muitas vezes consideramos o calor como sendo uma substância.

Teoria do calor como

substância

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Figura 2: O aquecimento produzido pelo atrito não é explicado pela teoria do calórico.

Teoria cinético-molecular

da matéria

Elaborada principalmente durante o século XIX por Benjamin Thompson, pelo fíSICOale- mão Rudolf Clausius (1822-1888) e pelo matemático e físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879),a teoria cmético-rnolecular procurava explicar inicialmente a constiturçào da ma- téria no estado gasoso e como ela está organizada. Posteriormente, em razão de seu sucesso, essa teoria possibilitou compreender a organização da matéria em outros estados: o líqUido e o sólido.

NÁO tSCRf'VA NU L IiHI

Do que depende a velocidade das moléculas em um gás?

A hipótese de que as moléculas de um gás estão em constante movimento aleatório permite algumas considerações sobre suas ve- locidades. Os estudos realizados indicam que esse movimento depende exclusivamente da temperatura do gás e, por esse motivo, é denomina-

do movimento térmico desordenado. À temperatura ambiente, por

exemplo, a velocidade média das moléculas de um gás é da ordem de 500 m/s. Quando a temperatura de um gás aumenta, em média a velocidade de suas moléculas também aumenta. A temperatura, a velocidade e a energia cinética média das moléculas são conceitos Intimamente rela- cionados (1800 km/h).

r

A temperatura de um gás é uma medida relacionada

com a intensidade da agitação (movimento desordenado)

das moléculas que o constituem.

Moléculas muito agitadas => temperatura alta

Moléculas pouco agitadas => temperatura baixa

William Thomson (ou lorde kelvio), rnaternátrco e físico escocês (1824-1907), considerou que a energia de movimento das moléculas dos gases atingiria um valor mínimo. Ele chamou a temperatura relacionada a esse estado de zero absoluto e ainda propôs uma escala de temperatura com início nessa medida. Essa escala passou a ser chamada de escala absoluta ou escala Kelvin.

Figura 4: O que levou o guarda a multar os carros? Que sugestão você daria para desfazer essa situação?

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AS DIFERENTES ESCALAS DE TEMPERATURA

I

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A elaboração de uma escala de temperatura é feita por meio de uma escolha arbitrária de dois valores como parâmetros, que podem corresponder a fenômenos físicos conhecidos: a fusão da água (gelo) e a ebulição da água numa pressão determinada, por exemplo. Anders Celsius, astrônomo sueco que viveu entre 1701e 1744, propôs uma escala de temperatura, que ficou conhecida como escala Celsius e hoje é adotada internacionalmente. Ele adotou o valor zero para a temperatura de fusão da água e o valor 100 para a temperatura de ebulição da água, ambas no nível do mar. Dividiu o intervalo entre as duas situações em cem partes iguais: os graus (por essa razão, essa escala também pode ser chamada de .. ---- --- --

NÀO ESCREVA NO LIVRO.

r

centígrada). Desse modo, a fusão do gelo foi associada à

temperatura O °C (lê-se zero grau Celsius) e a ebulição da água, a 100°C (cem graus Celsius), quando a pressão atmosférica vale 1,0atm (ao nível do mar). Figura 5: Termômetro clínico graduado na escala Celsius. Alguns valores aproximados de temperatura

Exemplo Temperatura L ------~~--------------------4--------------------; Interior do freezer -------------------~------------------- Interior do refrigerador Corpo humano 64 km abaixo da superfície da Terra -------------,------------------

-17°C

Entre 4,0 °C e 7,0°C

36,5°C ----jI I

1800°C (^) --l 2500°C 15000°C 500000°C (^) I

10000000°C I

100 000 000 °C

Filamento de uma lâmpada

• --- -----------4--------------------- Ar pelo qual passou um raio

I Bomba atô~~a - --

Interior do Sol

Quadro 1

Bomba de hidrogênio

li:.te + 273 )

em que T é a temperatura em Kelvin e te' em graus Celsius.

Outras escalas de temperaturas foram sugeri das, dentre as quais destaca-se a do físico germano-hc:ilandês Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-1736), adotada até hoje nos países de língua inglesa. Nessa escala, o valor 32 corresponde à temperatura de fusão do gelo e o valor 212, à ebulição da água ao nível do mar. Assim, o intervalo entre esses dois pontos tem 180 divisões, cada uma equivalendo a um grau Fahrenheit (1°F). Comparando-se os valores de temperatura da fusão do gelo e da ebulição da água nas escalas Celsius e Fahrenheit, constatamos que a variação de um grau na primeira escala

...",.....- ---.,. corresponde à variação de 1,8 grau na segunda. Como o valor

•••••••..•."""--"- -""'''--' __ -=-.J_ O °C corresponde ao valor 32°F, podemos converter graus Celsius em graus Fahrenheit usando a seguinte expressão:

( tF = 1,8. tc + 32 ) em que r, é a temperatura em graus Fahrenheit e te' a temperatura em graus Celsius.

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Escala Celsius

Escala Kelvin

.g~ {EbUliÇãO da água ã3 > 'c Fusão .á! do gelo

100 -c 1__ 373 K

200 e I 293 K O -c 273 K

-273°e .__. O K

Figura 6: Comparação entre as escalas Celsius e Kelvin.

temperatura em Kelvin não se utiliza a palavra "graus" como em graus Celsius e graus Fahrenheit.

Se compararmos dois termômetros, um na escala Kelvin e outro na escala Celsius, poderemos verificar a correspondência entre os valores em cada uma das escalas da figura 6. Observe que cada valor de temperatura na escala Kelvin corresponde a um valor na escala Celsius adicionado de 273, ou seja,

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