Introdução à termologia: entenda os conceitos básicos – Fórmulas e exercícios

Introdução à termologia: entenda os conceitos básicos - Fórmulas e exercícios

A termologia é uma área da física que estuda os fenômenos relacionados a temperatura e o calor. A termologia vai analisar as como o calor é transferido de corpo paro outro, como esses corpos chegam ao equilíbrio térmico, as modificações que sofrem os sólidos, líquidos e gases. Estuda também as mudanças de estado físico.

Calor

Ao cozinharmos usamos os efeitos térmicos da queima do combustível para prepararmos os alimentos. Em uma manhã fria esperamos o Sol nos aquecer. Em um dia muito quente, em ambiente fechado, desejamos um aparelho de ar-condicionado para nos resfriarmos.

Ao planejarmos uma viagem em um feriado, recorremos à observação de boletins do tempo para sabermos previamente o que nos espera em termos de tempo e temperatura.

Termologia

Nas altas latitudes, os raios do Sol incidentes sobre a superfície da Terra são bem inclinados, por isso o calor emitido por eles se espalha por uma vasta extensão e, em consequência, as temperaturas ambientes são muito baixas.

A água congela e o gelo que se forma recobre o oceano.

Nas regiões equatoriais, os raios solares incidem sobre uma área menor, aquecendo-a mais, como consequência, as temperaturas locais são bem altas.

Perceba que o calor do Sol influencia diretamente nas condições do meio ambiente, determinando o tipo de ecossistema que irá se desenvolver.

Você sabe a diferença entre calor e temperatura?

IO calor é uma forma de energia – a energia térmica – que é transferida de um corpo para outro quando há uma diferença de temperatura entre eles.

Vamos tentar entender de que modo essa transferência acontece.

As moléculas dos corpos sempre possuem um movimento vibratório, denominado agitação térmica. A energia cinética associada a esse movimento é chamada energia térmica.

Imagine dois cubos sólidos, com temperaturas diferentes. Se colocarmos em contato, percebemos que suas temperaturas se modificam até chegar a uma situação em que ambos apresentem a mesma temperatura.

Quando os dois passam a ter a mesma temperatura, dizemos que atingiram o equilíbrio térmico.

Introdução à termologia

Admitindo que o corpo (A) está com maior temperatura do que o corpo (B) e que os dois são colocados em contato, a energia térmica passará de A para B até que os dois atinjam a mesma temperatura (C).

Agora que já vimos que o calor é uma forma de energia, vamos definir que a temperatura é a avaliação dessa quantidade de energia.

É comum dizer que um corpo está mais “quente” ou mais “frio” do que outro, os mais “quentes” possuem temperatura mais alta e os mais “frios”, temperatura mais baixa.

A escala de temperatura mais comum no nosso dia a dia é a escala Celsius e cada uma das divisões dessa escala é chamada graus Celsius, simbolizada por °C.

A temperatura é a medida do nível médio da agitação térmica das partículas de um corpo ou sistema físico.

Reunindo os dois conceitos, podemos dizer que quanto maior a energia de vibração das moléculas que compõem um corpo, maior será a temperatura que ele demonstrará.

Efeitos do calor

Nos sólidos

De um modo geral, os corpos se dilatam ao serem aquecidos, isto é, aumentam suas dimensões. Isso acontece porque, com o aquecimento, as moléculas aumentam seu movimento vibratório e se afastam, ocupando maior espaço.

Dependendo da forma do corpo, dizemos que essa dilatação é linear, superficial ou volumétrica.

Veja também:

Dilatação linear

O estudo da dilatação linear leva em conta apenas uma das dimensões do sólido. Acontece quando o corpo aquecido tem forma de barra ou fio, como um arame, por exemplo.

Nesse caso, o aumento se dá principalmente no sentido do comprimento e o cabo metálico, ou a barra, ficam mais compridos. O resultado pode ser medido, apesar dos valores serem pequenos. Veja um exemplo:

Se uma barra de 1m de cobre (usado nos fios de transmissão de energia elétrica) for aquecida em 1°C , ela aumentará 0,017mm.

Efeitos do calor

Parece pouco?

Mas em um dia bem quente, quando pode haver variação de temperatura de até 15 graus entre as primeiras horas da manhã e o calor intenso da hora do almoço, essa dilatação pode chegar a 0,25mm a cada metro de fio.

Se esse fio medir 20m, veremos que ele aumenta 5mm (meio centímetro), o que já não é tão pouco.

É por isso que os fios de postes e de torres de transmissão de eletricidade, em dias muito quentes, parecem ficar mais frouxos.

Mas isso não acontece somente com fios, vamos lembrar de casos de barras expostas ao calor, como é o caso dos trilhos do trem.

Para que não aconteçam graves acidentes nas linhas férreas, a dilatação linear precisa ser

compensada, para isso há, entre os trilhos, um espaço que permite a dilatação do metal quando este é aquecido pelo calor do Sol ou pelo atrito com as rodas do trem. Se esse cuidado não fosse tomado, a linha entortaria e o trem sairia dos trilhos.

Dilatação superficial

Ocorre quando a dilatação acontece em duas das dimensões do corpo. Vamos observar esse tipo de dilatação quando, por exemplo, aquecermos chapas metálicas.

O aumento na superfície não é tão grande quanto esse que representamos, porém ele é suficiente para, por exemplo, facilitar a abertura de um vidro cuja tampa esteja muito apertada. Observe que, quando isso acontece, basta colocar a tampa em água quente; ela dilatará um pouco, dando uma pequena folga e facilitando a abertura do vidro.

Quando aquecemos uma chapa furada, o furo lumenta da mesma forma que o restante da placa.

Dilatação volumétrica

Acontece quando as três dimensões do corpo têm um tamanho tal que a dilatação pode ser facilmente observada no corpo inteiro (perceba    que    nos casos anteriores também há dilatação em

cada uma    das outras    dimensões, porém elas aparecem menos).

Nos líquidos

Assim como os sólidos, os líquidos se dilatam    ao serem    aquecidos.

A dilatação volumétrica é a que pode ser observada    com    mais    facilidade,

pois, como líquidos não têm forma própria, eles geralmente estão contidos em recipientes nos quais as três dimensões são bem representadas.

A dilatação sofrida pelos líquidos é a base do funcionamento dos termômetros, instrumentos que estudaremos no módulo seguinte.

Comportamento da água

Você já estudou muita coisa sobre a água e sabe que ela é um bem precioso e uma fonte de vida que deve ser cuidada, evitando-se sua poluição. Além disso, a água possui propriedades físicas que garantem a sobrevivência nas regiões mais frias do planeta.

A água, quando aquecida de 0 a 4°C, reduz o seu volume (em vez de aumentar, como se esperaria de um corpo que fosse aquecido). No entanto, após 4°C, ela dilata normalmente.

Então, aos 4°C a água se apresenta em sua contração máxima e, portanto, tem sua maior densidade.

Esse fato é de importância extraordinária, pois permite a existência de água no estado líquido por baixo das camadas de gelo que se formam sobre rios, lagos e oceanos nas regiões frias do planeta.

Vamos entender como isso acontece.

Em geral, a elevação da temperatura de uma substância provoca uma dilatação térmica. Entretanto, ao se aquecer a água de 0° a 4°C, as moléculas passam a ocupar vazios antes existentes na estrutura molecular, provocando, assim, uma contração.

Acima dos 4°C, elas voltam a se afastar, e a água dilata como qualquer outro corpo aquecido, mas a 0°C, quando ela passa ao estado sólido, suas moléculas sofrem um arranjo peculiar, fazendo com que o gelo seja menos denso que a água. Veja a seguir:

movimentação das moléculas

Então, quando um lago está congelando, a água da superfície vai esfriando. Chegando a 4°C ela afunda (é mais densa do que a água abaixo), quando toda a água está a 4°C, a superfície começa lentamente a congelar.

O gelo vai se formando de cima para baixo. Como ele é um bom isolante térmico, as camadas inferiores permanecem no estado líquido.

A tabela abaixo nos mostra a densidade da água em diversas temperaturas, observe a maneira irregular como as densidades vão se modificando:

Temperatura Densidade
0°C (sólido – gelo) 0,9150
0°C (líquido) 0,9999
4°C 1,000
20°C 0,9982
80°C 0,9718

 

Assinale X na única alternativa correta:

A distância entre dois pedaços de trilhos consecutivos em uma estrada de ferro é:

  1. a)    menor no inverno.
  2. b)    praticamente constante em qualquer época do ano.
  3. c)    maior no primavera.
  4. d)    maior no verão.
  5. e)    menor no verão.

Referências bibliográficas

 

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