fisica 2°ano

,,Caderno do Aluno – Volume 2 – 2ªsérie EM


Situação de Aprendizagem 1

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1) Se tudo correr bem, após as cem vezes que o tubo girou, a temperatura final dos chumbinhos deverá se elevar bastante, porém podem ocorrer alguns problemas como troca de calor com o material do tubo, vedação mal feita, ou ainda, problemas com a forma de medir a temperatura.
2) Ocorre transformação de energia potencial gravitacional dos chumbinhos em energia cinética quando estes caem através da extensão do tubo. Ao colidirem com a tampa do tubo, essa energia é convertida em energia de vibração das moléculas, manifestando então um aumento na temperatura. Tal fato corrobora para a compreensão do conceito de calor como energia que transita de um corpo para outro. Neste caso, a energia vinda dos músculos do nosso corpo que faz com que o tubo gire e ganhe energia mecânica.
3) Quanto maior o número de vezes que o tubo girar, maior será a energia potencial gravitacional transformada em energia térmica cedida aos chumbinhos. É importante girar tantas vezes para que o aumento da temperatura dos chumbinhos seja significativo.
4) Como já foi explicado na questão 2, ocorre transformação de energia mecânica em energia térmica.

5)

M = 500g = 0,5kg
h = 1,20m
c = 0,031 cal/gºC
g = 10m/s2
Δt = 9,3°C



Q = m . c . Δt
Q = 500 . 0,031 . 9,3
Q = 144,15 cal





E = n . ( m . g . h )
E = 100 . 0,5 . 10 . 1,2
E = 600 J

n = número de vezes que os chumbinhos se chocaram com as extremidades do tubo.

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Ep (J) = Q (cal)
600J = 144,15 cal

Portanto 1 cal = 4,16J (equivalente mecânico de calor)

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7) Estamos admitindo que toda a energia mecânica (potencial gravitacional) é convertida integralmente em energia térmica capaz de aumentar a temperatura dos chumbinhos.

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1) Podemos citar, por exemplo, o aquecimento dos pneus de um carro devido ao atrito entre a borracha e o asfalto, fato que pode ser percebido quando se encosta a mão no pneu quando o carro está parado. Neste caso, parte da energia mecânica é transformada em calor. Outro exemplo é o aquecimento das peças de uma máquina elétrica, devido ao atrito entre elas. Por isso a necessidade da utilização de óleos e graxas utilizadas nessas máquinas a fim de diminuir o atrito e o aquecimento das peças.
2) Da mesma forma que na situação dos chumbinhos, neste caso, a energia também veio da pessoa, ou seja, a pessoa transmite energia para o martelo na forma de energia potencial e cinética (o martelo é erguido para depois ser golpeado contra o prego). Ao bater no prego, parte dessa energia é transmitida na forma de energia cinética (o prego se move, conseguindo penetrar na madeira), e parte na forma de calor, daí o aquecimento. Parte dessa energia ainda se transforma em energia sonora (barulho da martelada).

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1) O objeto suspenso tem energia potencial gravitacional. Quando abandonado, essa energia potencial gravitacional se transforma em energia cinética. Uma parte dessa energia é usada para mover as pás (energia cinética das pás). A água, ao ser agitada pelas pás, ganha energia cinética, isso faz com que aumente sua energia térmica e, consequentemente, sua temperatura.
2) Para que o termômetro marque uma temperatura maior, o recipiente com água deve ser isolado termicamente de maneira que a energia térmica gerada seja menos dissipada para o ambiente.
3) a) Supondo que o sistema seja conservativo, isto é, que toda a energia potencial do objeto seja integralmente transferida para a água e usada para elevar sua temperatura, temos:
ΔEp = 25 . m . g . h
ΔEp = 25 . 6 . 9,8 . 2
ΔEp = 2 940 J

b) A água recebeu 2 940 J. Considerando que 1 cal = 4,18 J, neste caso, os 2940 J correspondem aproximadamente a 703 cal.

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4) A semelhança entre os dois experimentos é que ao invés do corpo cair e aquecer a água, como na experiência de Joule, os chumbinhos ao caírem dentro do tubo batem nas extremidades do mesmo e se aquecem. No caso da experiência de Joule há um maior número de transformações de energia, já no caso dos chumbinhos é somente a energia potencial que se transforma em energia cinética. Quando ocorre o choque na extremidade do tubo, é gerado aquecimento.

Lição de Casa
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1)a) Ela deverá aumentar, pois parte da energia cinética se transforma em energia térmica (calor) na colisão com a parede de aço.

b) Dados:
m= 0,01 kg
v = 400 m/s
A energia cinética da bala antes do choque é:

Ec = m.v ²/2
Ec = (0,01. 4002) /2
Ec = 800 J
como 1 cal = 4,2 J, temos: Ec = 190,5 cal

c) Considerando que a energia cinética será totalmente usada no aquecimento do projétil, teremos:
Q = m.c. Δt = 10 . 0,031. (t – 25)
190,5 = 0,31. (t – 25)
(t – 25) = 614,5
t = 639,5 ºC
Como o chumbo se funde a 327,4°C, temos que o projétil se fundiria.

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2)
M = 200 g (de água) e cágua = 1 cal/g º C
h = 0,5 m
to = 25 ºC
tf = 100 ºC
Considerando que toda a energia potencial da queda seja usada no aquecimento da água, a quantidade de energia necessária para aquecer a água até ferver será:
Q = m.c. Δt
Q = 200 . 1. (100-25)
Q = 15.000 cal
Se 1 cal = 4,2 J, teremos:
Q = 63.000 J
A energia potencial de uma “queda” dentro da garrafa será:
Ep = m.g.h
Ep = 0,2 Kg .10. 0,5
Ep = 1 J
Se uma queda fornece 1 J, para conseguir 63 000 J, serão necessárias:
63 00 / 1 = 63 000 quedas.

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1) Rumford se questionava a respeito de onde vem o calor produzido no aquecimento do metal quando perfurava blocos de ferro durante a fabricação de canhões.

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2) No século XVIII, o calor já era um velho conhecido do pensamento científico. Nessa época, contudo, imaginava-se que o calor fosse uma substância, um fluido chamado de calórico. Assim, ao colocar em contato dois corpos com temperaturas diferentes, pensava-se que essa substância fluísse de um corpo para outro, explicando, assim, por que o mais quente se resfria enquanto o mais frio se aquece. A discordância do modelo do calórico, de acordo com o texto, se deu a partir dos questionamentos que Rumford fez a respeito da origem do calor. Ele verificou que o calor não poderia ser um fluido material, pois, mesmo com a grande intensidade de calor produzido pelo atrito, eles não sofriam nenhuma perda de massa que, neste caso, seriam arrancadas da massa sólida que foi atritada.










Situação de Aprendizagem 2

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1) O que faz a lâmpada girar é a expansão do vapor de água após entrar em ebulição.
2) Quando a água entra em ebulição, o vapor de água sai com uma grande pressão e, devido à disposição dos tubos, há o aparecimento de um torque que faz a máquina girar.
3) A partir dos conceitos abordados na situação de aprendizagem anterior, espera-se que os alunos possam relacionar a transformação de energia térmica (calor) em energia mecânica (energia cinética) devido à rotação do bulbo da lâmpada.
4) Neste caso, consideramos como máquina (no caso, máquina térmica) todo equipamento capaz de transformar energia térmica em trabalho útil. O intuito da atividade foi apenas de apresentar a possibilidade de se utilizar a expansão de um gás para movimentar algo. Ainda que lúdica e ilustrativa, parece que a máquina de Heron não foi criada para ser nada além de uma curiosidade. Para aproveitar a máquina de Heron é necessário aproveitar o movimento da esfera, veja a figura da página 13. Uma forma de se fazer isso é usando-a para retirar água de um poço. Para isso, seria necessário se prender uma corda na esfera que, ao ser puxada, se enrolaria na esfera conforme esta girasse. Outra possibilidade seria prender a esfera a um eixo que girasse solidário a ela, preso a rodas. Assim, seria possível construir um “carro a vapor”. Esses exemplos são apenas algumas possibilidades imagináveis.

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A fonte de calor, ao fornecer energia térmica ao gás que está confinado, faz com que a pressão no interior do cilindro aumente, possibilitando que o gás se expanda e realize trabalho. Assim, com o movimento do pistão para cima, há uma variação do volume
que, neste caso, dizemos que o gás realizou trabalho devido à expansão.

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Assim como o êmbolo da seringa sobe quando calor é fornecido pela água quente ao gás no interior da seringa, de forma análoga, o mesmo acontece com o leite ao ser fervido. Tanto no caso da seringa com água quanto no caso do leite ocorre o mesmo fenômeno. Na seringa, a calor da água aumenta o agito das moléculas e, consequentemente, a pressão no interior do tubo. Já com o leite, a fonte de calor (fogo) ao agitar as moléculas provoca a expansão do líquido. Há uma força distribuída ao longo de toda a superfície do leite, que é justamente a ideia de pressão, que pode ser assim relacionada: P = F/A, em que F= força e A = área. Como na verdade houve também um aumento do volume do leite, que é obtido ao se multiplicar o deslocamento pela área (ΔV= Δd . A), pode-se escrever o trabalho como o produto da pressão pela variação do volume (W = P. ΔV).

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2) Ver resolução proposta na questão 4 da atividade que guia esta situação de aprendizagem.
3) Tal como já foi discutido na questão anterior, pode-se usar tal dispositivo como máquina. Para isso, bastaria aquecer o recipiente, pois aí o gás se expande e empurra o pistão para cima, realizando trabalho.

Lição de Casa
1) Pesquisa: Quando surgiram as primeiras máquinas a vapor? Para que eram usadas?

2) Ele se referia aos trens a vapor que surgiram neste período. As mudanças que aconteceram nessa época fazem parte da chamada Revolução Industrial, período em que as máquinas a vapor deram início a novas relações sociais e de trabalho. Vale ressaltar que o assunto é aprofundado na próxima situação de aprendizagem.
3) Neste caso, o trabalho pode ser calculado pela expressão W = P. Δ V = 1,0. 105. 0,03. 0,50 = 1,5 x 103 N.m
Se esse trabalho for usado para levantar o objeto, podemos escrever que:
W = m.g.h
1,5 x 103 = m. 10 . 0,5
m = 300 kg Dessa forma, esse pistão consegue erguer um corpo de 300 kg a uma altura de 50 cm do chão.

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1) O objetivo principal da leitura é proporcionar que o aluno possa conhecer e compreender a evolução das máquinas térmicas, principalmente a partir do século XVIII. A leitura deverá fazer com que os alunos possam perceber e relacionar, por exemplo, que a falta dos refrigeradores e motores dos carros fizeram, durante muito tempo, com que o armazenamento e transporte dos alimentos fossem dificultados, sendo feito por escravos. Até então, não podiam sequer imaginar uma máquina realizando um trabalho para o homem. A partir do surgimento das máquinas a vapor, profundas alterações marcaram principalmente o processo produtivo da sociedade. Como exemplo, podemos citar a introdução da mão de obra assalariada, o deslocamento dessa mão de obra, antes essencialmente concentrada nos campos para os centros urbanos e as indústrias nascentes, dentre outras mudanças.
2) No final do século XVII as florestas da Inglaterra já tinham sido praticamente destruídas e sua madeira utilizada como combustível. A necessidade de se usar o carvão de pedra como substituto da madeira levou os ingleses a desenvolverem a atividade da mineração. Um problema que surgiu com as escavações cada vez mais profundas foi o de acúmulo de água no fundo das minas, o que poderia ser resolvido com a ajuda de máquinas. Uma máquina foi desenvolvida para acionar as bombas que retiravam água do subsolo de cerca de 30 m, elevando-a até a superfície, pois as bombas antigas só elevavam a água até 10,33 m. A partir das “bombas de fogo”, como eram chamadas, surgiram e foram aperfeiçoadas outras máquinas térmicas, dentre elas os motores a explosão e os refrigeradores. Podemos dizer que a revolução industrial ocorreu diretamente das construções das “bombas de fogo” dando início a profundas mudanças no setor industrial e produtivo nas sociedades. Assim como já abordado anteriormente, as máquinas térmicas, em geral, têm seu princípio de funcionamento baseado nas transformações da energia térmica em energia mecânica (energia de movimento).
Situação de Aprendizagem 3

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Espera-se que os alunos foquem o texto destacando principalmente as consequências do processo de industrialização impulsionadas pela invenção das máquinas térmicas. Neste sentido, os alunos podem começar o texto abordando, por exemplo, a
respeito da substituição das ferramentas pelas máquinas, da energia humana pela energia motriz e do modo de produção doméstico pelo sistema fabril que constituiu a Revolução Industrial. O nome revolução se deu em função do enorme impacto sobre a estrutura social e econômica da sociedade, num processo de transformação acompanhado por uma grande evolução tecnológica. A partir da invenção das máquinas térmicas, como as primeiras máquinas a vapor, ocorreu uma grande revolução produtiva. Com a aplicação da força motriz às máquinas fabris, a mecanização se difunde principalmente na indústria têxtil e na mineração. As fábricas passam a produzir em série e surge a indústria pesada (aço e máquinas). A invenção dos navios e das locomotivas a vapor acelera a circulação das mercadorias e dos produtos. A revolução industrial do século XVIII acontece inicialmente na Inglaterra. O pioneirismo inglês se deve a vários fatores, como o acúmulo de capitais e grandes reservas de carvão. Com seu poderio naval, abre mercados na África, Índia e nas Américas para exportar produtos industrializados e importar matérias-primas. Sua localização, na parte ocidental da Europa, facilita o acesso às mais importante rotas de comércio internacional, o que permitiu conquistar novos mercados. Além disso, o país possuía muitos portos e intenso comércio costeiro. O novo sistema industrial transformou as relações sociais e criou duas novas classes sociais, fundamentais para a operação do sistema. Os empresários (capitalistas), proprietários dos capitais, prédios, máquinas, matérias-primas e bens produzidos pelo trabalho e os operários, proletários ou trabalhadores assalariados, apenas com sua força de trabalho que a vendem aos empresários para produzir mercadorias em troca de salários.

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1) As primeiras máquinas do século XVIII apresentavam baixo rendimento, ou seja, consumiam grande quantidade de combustível e realizavam pouco trabalho. Foi por volta de 1770 que o inventor escocês James Watt apresentou um modelo de máquina que substituiu as que até então existiam, pois era mais eficiente e apresentava enormes vantagens. A máquina proposta por Watt foi empregada inicialmente nos moinhos e no acionamento de bombas d’água, mas posteriormente passou a ser empregada nas locomotivas e nos barcos a vapor. Ela ainda passou a ser muito utilizada nas fábricas como meio para acionar dispositivos industriais. Esse foi um dos fatores que motivaram a Revolução Industrial.
2) Houve uma grande mudança na economia e nas relações de trabalho, pois a partir da invenção das máquinas térmicas, a mecanização se difundiu nas indústrias em geral. Dessa forma, as fábricas passam a produzir em série e surge a indústria pesada (aço e máquinas). A invenção dos navios e das locomotivas a vapor acelera a circulação das mercadorias e dos produtos, ampliando o comércio e a oferta de emprego. Com o novo sistema industrial há uma transformação das relações sociais com a criação de duas novas classes sociais, fundamentais para a operação do sistema. Os empresários (capitalistas), proprietários dos capitais, e os operários, trabalhadores assalariados.
3) Com a intensificação do comércio, devido ao crescimento industrial a partir da invenção das máquinas térmicas, houve uma necessidade de produção em larga escala de diferentes produtos e materiais, principalmente tecidos e carvão, gerando uma grande motivação para o aperfeiçoamento das máquinas a vapor. Neste contexto, surgem as máquinas a vapor de Thomas Newcomen e a do inventor James Watt. Os aperfeiçoamentos dessas máquinas geraram um aumento na produtividade e, principalmente, uma diversificação no seu uso, como a elevação de pesos e a geração de movimento contínuo e não apenas o bombeamento de água. No século XVIII, a partir das máquinas de Newcomen e Watt, elas foram também utilizadas nos transportes. Isso fez surgir a locomotiva e os pequenos carros, ambos movidos a vapor. A aplicação das máquinas transformaram, assim, toda a civilização ocidental e impulsionaram ainda mais a industrialização da Inglaterra.
4) a) motores dos carros, os refrigerados, e as locomotivas ou trens a vapor, etc
b) Aqui, espera-se que os alunos possam fazer uma reflexão da importância que a existência dessas máquinas exercem não apenas no transporte das pessoas e em nossa vida pessoal, mas também nas relações produtivas, culturais e sociais que nos afetam.

Situação de Aprendizagem 4

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O motor é constituído de um bloco de ferro ou alumínio que possui câmaras de combustão. Nelas, ficam os cilindros, nos quais se
movem os pistões. Cada pistão tem um virabrequim ligado a ele por meio de uma biela, peça capaz de transformar o movimento de vai-vem do pistão em rotação do virabrequim. É justamente o virabrequim que, ao girar, transmite o movimento às rodas do carro. Entender minimamente o papel de cada uma dessas peças é imprescindível para a compreensão do que ocorre no momento da descrição de seu funcionamento.


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Assim como no ciclo da turbina a vapor, o gráfico P x V deve também ser feito pelo professor na lousa. Sua intenção é sintetizar e sistematizar as transformações termodinâmicas envolvidas nas etapas do ciclo do motor a quatro tempos.





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Da mesma forma que o motor de um carro, a turbina a vapor é uma máquina que transforma energia interna do combustível em energia mecânica. Numa caldeira, por meio da queima do combustível, ferve-se uma substância de operação, em geral a água. Nesse processo, há uma mudança de estado de líquido para vapor e vice-versa. O vapor sai da caldeira a alta pressão e é conduzido de forma a fazer girar as pás de uma turbina, diminuindo a pressão e a temperatura desse vapor. Essa rotação ocorre devido ao vapor transferir parte de sua energia cinética para as pás da turbina.
Ao passar pelas pás, ainda que o vapor sofra uma queda em sua pressão e temperatura, ele ainda sai da turbina como vapor a baixa pressão, o que exigiria muito trabalho para conduzi-lo de volta à caldeira. Por isso, a necessidade de um condensador. Assim, o vapor passa por uma serpentina trocando calor com o meio externo (geralmente água), sendo então condensado. No estado líquido, ele pode ser mais facilmente bombeado como água quente de volta à caldeira reiniciando, dessa forma, um novo ciclo.
Faça agora o paralelo da máquina a vapor com o motor a combustão, trabalhando principalmente a descrição dos quatro tempos de um motor a gasolina.
I – Devido ao giro do virabrequim, o pistão baixa no cilindro, abrindo a válvula de admissão e injetando para dentro a mistura de gasolina e ar.
II – O pistão agora sobe, comprimindo a mistura.
III – Quando a compressão tem seu valor máximo, uma centelha elétrica produzida pela vela de ignição promove a explosão instantânea, fazendo com que os gases quentes se expandam, jogando o pistão para baixo e produzindo trabalho.
IV – O pistão sobe descomprimindo os gases, a válvula de escape abre-se de modo que os gases provenientes da queima são expelidos para o meio ambiente.
• Observação: é preciso ressaltar que esses diagramas é a representação teórica de um ciclo real, uma idealização, já que, durante o funcionamento de um cilindro, os processos não ocorrem de forma perfeita. Assim, no ciclo do motor a quatro tempos, por exemplo, no trecho AB, em que se tem representado um processo isobárico, na realidade há sim uma queda de pressão. Isso ocorre devido à velocidade de expansão da mistura não acompanhar perfeitamente o movimento do pistão, acarretando queda de pressão. Da mesma forma, no trecho BA, a expulsão do gás também não chega a ser isobárica, pois o pistão não tem velocidade suficiente para acompanhar a saída do gás. Entretanto, ainda assim, esse diagrama é útil para a compreensão do funcionamento de um motor. É um momento oportuno para se discutir a idealização de modelos, revelando sua importância no processo de construção da ciência.

1) O impulso necessário para o início do ciclo é efetuado pelo motor de arranque. Um pequeno motor elétrico alimentado pela bateria do carro, que dá início ao giro do virabrequim. Nos primeiros veículos este “impulso” era efetuado mecanicamente, através de uma manivela encaixada no eixo do virabrequim; processo semelhante é usado ainda hoje em muitas motocicletas, nas quais se aciona um pedal para dar a partida do motor.
2) O acelerador do carro está articulado com o carburador ou com a injeção eletrônica de combustível, dispositivo que controla a quantidade de combustível que é admitida na câmara de combustão. O carburador, ou a injeção, tem a função de misturar o ar
com o vapor do combustível na proporção de 12 a 15 partes de ar para 1 de combustível (por unidade de massa) e controlar a quantidade desta mistura, através de uma válvula que se abre quando o pedal do acelerador é pressionado ou solto, liberando maior ou menor quantidade da mistura combustível.
3) Após a descrição do motor de 4 tempos, é bastante simples falar sobre os de 2 tempos, visto que suas semelhanças e diferenças são poucas. A diferença fundamental encontra-se no fato de a aspiração e a compressão da mistura do combustível ocorrerem enquanto o pistão sobe (primeiro tempo), e a explosão e a exaustão ocorrem enquanto o pistão desce (segundo tempo). Esse motor é muito utilizado em motocicletas, cortadores de grama, motosserras, dentre outros.

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4) Um bom desempenho do motor se deve, entre outras coisas, ao instante em que a faísca é produzida. O pistão deve estar em fase de compressão e próximo à posição de menor volume do cilindro, pois, nessa situação, o aproveitamento da energia liberada na explosão, para a realização do trabalho, é máximo. Nesse caso, diz-se que o motor está “no ponto”. Num motor adiantado, ele encontra-se desregulado e provoca a explosão da mistura de ar e combustível antes do tempo ou do “ponto”. Desse modo, o movimento de subida do pistão é parcialmente freado, resultando numa perda de potência.
5) Usa-se a queima de carvão para aquecer uma caldeira onde a água vaporiza a alta pressão. Neste caso, os trechos podem indicar:
• Trecho AB: Seria o momento em que se abre a válvula de escape e o vapor começa a sair, provocando rápida diminuição da pressão, praticamente sem mudar o volume.
• Trecho BC: Momento em que o volume diminui, com uma pressão praticamente constante.
• Trecho CD: Finalmente os vapores restantes são expulsos por compressão, quando o pistão volta e diminui de volume.
• Trecho DE: Poderá representar a etapa de queima do carvão para aquecer a caldeira onde a água vaporiza a alta pressão (constante), aumentando seu volume.
• Trecho EA: A válvula de admissão do vapor se fecha, e o vapor se expande dentro do pistão, empurrando-o o restante de seu percurso.


Situação de Aprendizagem 5

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A geladeira necessita de uma substância de operação que, ao invés da água, é um gás chamado freon. Além disso, a geladeira ainda possui partes que funcionam a altas temperaturas (fonte quente) e a baixas temperaturas (fonte fria). O mais importante é relatarem que a geladeira não usa calor, mas sim o bombeia de uma temperatura mais baixa para uma mais alta, ou seja, o fluxo de calor não é espontâneo, como na turbina a vapor. Na geladeira, a troca de calor se dá no sentido oposto, do mais frio para o mais quente, já que espontaneamente o calor é transferido do quente para o frio. Portanto, para se bombear calor na direção contrária, é preciso realizar um trabalho externo sobre o gás freon, de modo que ele perca calor no condensador e evapore no congelador.

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




O motor compressor comprime o freon, aumentando a pressão e temperatura, fazendo-o circular através de uma tubulação. Ao passar por uma serpentina permeada por lâminas no condensador, o freon perde calor para o exterior se liquefazendo. O condensador fica atrás da geladeira. Ele é a parte quente que você já deve ter observado. Ao sair do condensador, o freon liquefeito ainda a alta pressão chega a um estreitamento da tubulação (tubo capilar) onde ocorre uma diminuição da pressão. O capilar é a válvula de descompressão. Quando o freon líquido e a baixa pressão chega à serpentina do evaporador, de diâmetro bem maior que o capilar, se vaporiza retirando calor da região próxima (interior do congelador). O gás freon a baixa pressão e temperatura é então aspirado para o compressor onde se inicia um novo ciclo. O congelador é a parte mais fria e por isso sempre está localizado na parte superior da geladeira, havendo assim condições de trocar calor com todo o seu interior. O ar quente sobe, se resfria na região do congelador e depois desce, estabelecendo a convecção do ar. É por esse motivo que muitas geladeiras são geralmente vazadas. Tal como na turbina a vapor e no motor a combustão, a geladeira trabalha com uma substância de operação, 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 não é espontâneo. A troca de calor se dá do mais frio (interior da geladeira) para o mais quente (meio ambiente). Para que isso ocorra, é necessário trabalho externo sobre o freon para que ele perca calor no condensador e se evapore no congelador. Em cada ciclo, a quantidade de calor cedida para o meio ambiente através do condensador é igual à quantidade de calor retirada do interior da geladeira, mais o trabalho realizado pelo compressor.

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1) Conforme já descrito. Anteriormente, a geladeira funciona em ciclos, utilizando como substância de operação um fluido que se vaporiza a baixa pressão e com alto calor latente de vaporização. O gás freon é comprimido pelo compressor, sofrendo assim um aumento de pressão e temperatura. Em seguida, o gás, ao passar pelo condensador (grade quente que fica na parte de trás da geladeira), perde calor para o meio externo e liquefaz-se. Ainda em alta pressão, o freon no estado líquido sai do condensador e chega até uma válvula de descompressão, que nada mais é que um estreitamento da tubulação, sofrendo então uma queda em sua pressão. O freon liquefeito, agora de baixa pressão, chega até o evaporador (corriqueiramente chamado de congelador). Com um diâmetro bem maior que o capilar, o freon então se vaporiza e retira calor da região interna do congelador. Daí, um novo ciclo se inicia quando o gás, em forma gasosa e a baixa pressão e temperatura, é aspirado para o compressor.
2. A geladeira e o freezer são equivalentes quanto ao funcionamento. O freezer possui um evaporador grande o suficiente para manter a temperatura interna da ordem de - 200º C. Por isso o motor (motor compressor) é mais potente, comprimindo maior 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 têm em comum o fato de trabalharem em ciclos, num “circuito fechado”, sem gastar a substância refrigerante ao longo do tempo. Os condicionadores de ar também são constituídos por um compressor, um evaporador e um condensador, mas utilizam o freon 22, cuja temperatura de ebulição. De (- 40,80º C à pressão atmosférica), permite a sua condensação sob pressões menores sem haver necessidade de compressões tão potentes. Nos condicionadores, o ar que provém do ambiente (contendo pó e umidade), após passar por um filtro que retém suas impurezas, entra em contato com a serpentina do evaporador, sendo resfriado e devolvido ao ambiente impulsionado por um ventilador.



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4. É 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), é a diferença 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, não é espontâneo, como já abordado.
Q1 = Q2 – W ( 2ª Lei da Termodinâmica)
Como o calor rejeitado para o ambiente vale Q2 = 800 cal, pela expressão, teremos:
Q1 = 800 – W.
Dessa forma, verifica-se que Q1 < 800 cal.


5. A ideia não vai funcionar, pois como a porta da geladeira está aberta e o radiador também se encontra na sala, todo o calor retirado do ambiente, adicionado ao trabalho realizado para retirar esse calor, será 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.

Lição de casa
Pesquisar em livros, internet, revistas, etc e completar o quadro.

Situação de Aprendizagem 6

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Roteiro 6
Pesquisar em livros, internet, revistas, etc e responder as questões.

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1. A potência desses motores é diretamente determinada pela quantidade de combustível aspirada pelo carburador ou injeção eletrônica de combustível, comprimida e detonada pela faísca da vela, responsável pela explosão da mistura. É essa explosão da mistura ar e combustível no interior do cilindro a responsável pelo movimento do carro. Os carros 1.0 têm o volume dos cilindros de 1 litro e são menos potentes porque o volume da mistura ar e combustível, a ser detonada no cilindro do motor, é menor do
que num carro 1.6, que tem volume de 1,6 litros. Com isso, os motores 1.0 consomem menos combustível do que um carro 1.6.
A quantidade máxima de combustível ou mistura admitida em cada cilindro do motor, multiplicada pelo número de cilindros que compõem o motor a explosão, é denominada cilindrada, expressa em cm3 ou pol3.
• Observação: Vale lembrar que não é apenas o volume dos cilindros que determina a potência de um carro. As características dos motores, como o regime de rotação, posicionamento dos cilindros, entre outras, também determinam a potência. O melhor contra exemplo são os motores 1.0 turbo, que forçam a entrada da mistura por meio de turbinas, postas em movimento pelos gases exalados do próprio motor.
2. Há vários procedimentos que contribuem para aumentar o rendimento dos motores. Apesar de estar sendo solicitado somente dois fatores, vamos aqui destacar mais alguns:
• Uma forma seria aumentar o fluxo de ar no interior do cilindro, pois quanto mais ar é injetado em seu interior, maior será a explosão da mistura;
• Resfriar o ar que entra – comprimir o ar aumenta sua temperatura. O ideal é ter o ar mais frio possível dentro do cilindro, pois quanto mais quente o ar, menos ele se expande quando a combustão acontece;
• Procurar as peças mais leves – peças mais leves ajudam a melhorar o desempenho do motor. Cada vez que o pistão muda a direção, ele usa mais energia para frear a entrada em uma direção e começar outra. Quanto mais leve o pistão, menos energia ele consome. Peças mais leves também permitem que o motor gire mais rápido, dando a ele mais potência;
• Aumentar a proporção de compressão – quanto mais alta a proporção de compressão, maior a força produzida. Quanto mais comprimida a mistura ar/combustível, mais facilmente ocorrerá a explosão da mistura;
• Aumentar a atividade do cilindro – prender mais ar (consequentemente mais combustível) em um cilindro, assim como aumentar seu tamanho, poderá levar a um aumento na força obtida;
• Aumentar o deslocamento – mais deslocamento significa mais força, pois mais gás é queimado durante cada revolução do motor.

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1. Ela diminuiria. Pela expressão do rendimento η =Tquente - T frio / Tquente , quanto menor for a temperatura da fonte quente (Tquente) menor será o rendimento (η).
2. O ar condicionado retira calor do ambiente (fonte fria) e o rejeita para o exterior da sala (fonte quente) à custa da realização de trabalho. Já no caso do refrigerador, ele faz a mesma coisa, porém, ele libera calor para o mesmo ambiente. Isso faz com que todo o calor retirado seja colocado novamente no mesmo ambiente, fazendo com que a temperatura não varie significativamente. Para o refrigerador funcionar de forma semelhante ao ar condicionado, deveríamos colocar o condensador (radiador) em um ambiente externo para liberar o calor em outro ambiente.
3. O refrigerador é um aparelho que reduz a temperatura dos materiais colocados em seu interior e mantém neste ambiente uma temperatura inferior à de suas vizinhanças. O refrigerador retira calor de uma fonte fria e, após a realização 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 não é espontâneo. Daí a necessidade de se realizar trabalho sobre o refrigerador. Quanto maior for a temperatura da sala onde o refrigerador se encontra, maior deverá 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 deverá realizar para resfriar o interior (fonte fria). Dessa maneira, o motor do refrigerador vai consumir mais energia para a realização desse trabalho.
4. Neste caso, temos uma máquina térmica que retira calor de uma fonte quente para a realização de trabalho. Uma parte do calor fornecido pela fonte quente é rejeitada para uma fonte fria. Essa é a 1ª Lei da Termodinâmica (que nada mais é que o princípio da conservação da energia) e pode ser escrita da seguinte forma:
W = Qquente - Qfrio
Dessa forma, podemos escrever que:
43.000 = 176.000 - Qfrio
Qfrio = 133.000J
Então, 133.000J equivale à quantidade de energia rejeitada para a fonte fria que não foi utilizada para realizar trabalho. Essa energia foi cedida ao ambiente. Como ela não foi aproveitada de forma útil, dizemos que ela foi perdida. O rendimento é dado por:
ƞ = W/Qquente
ƞ = 43.000/176.000
ƞ = 0,244 ou ƞ = 24,4%

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O texto deva focar a respeito da necessidade de se economizar energia devido ao fato de que nem toda a energia produzida é transformada integralmente em trabalho. Uma parte se transforma em calor, ou outra forma de energia, que não há como ser reaproveitada. Neste caso, dizemos que houve uma perda da capacidade de sua utilização de forma útil. Por isso, é necessário que haja um consumo racional de energia, visto que suas reservas são limitadas.

Situação de Aprendizagem 7

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O intuito é relacionar a resposta com a segunda Lei da Termodinâmica 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 é transformada em calor. Dessa forma, a parcela de energia transformada em calor é “perdida”, no sentido de que não pode ser reutilizada para gerar mais trabalho. Um motor, por exemplo, esquenta ao ser utilizado e, para produzir mais trabalho, é preciso injetar mais combustível. Assim, na realidade, não ocorre uma perda efetiva de energia. O que acontece é que ao ser convertida em calor há uma degradação dessa energia de forma que não podemos mais utilizá-la para gerar trabalho útil.

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1. Um dos enunciados da segunda lei da termodinâmica diz que: “O calor não flui espontaneamente de um corpo frio para um corpo quente”. Essa afirmação pode ser facilmente observada no dia a dia, quando, por exemplo, deixamos uma taça 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 fusão. Da mesma forma, o calor de uma xícara de café é transferido para o ar, esfriando o café. Não há sentido acreditar que o contrário pudesse acontecer, ou seja, que o café se tornasse mais quente enquanto o ar ao seu redor esfriasse. Observe que essa lei não diz que o calor não pode passar do corpo mais frio para o mais quente, afinal é isso o que ocorre em um refrigerador. O que ela afirma é que isso não acontece espontaneamente.
2. Inicialmente, o aluno precisará entender o significado físico dos termos ordem e desordem. Para a Física, um sistema ordenado é aquele no qual uma determinada quantidade de objetos, que podem ser átomos ou tijolos, está disposta de forma regular e previsível. Assim, os átomos de um cristal ou os tijolos fixados em uma parede são sistemas altamente ordenados. Já um sistema desordenado fisicamente é aquele no qual os objetos estão dispostos de forma irregular, como os átomos de um gás ou os tijolos espatifados depois de uma demolição. Então, de acordo com esse princípio da termodinâmica, é possível citar como exemplo o que acontece com as moléculas de gás que escapam de um vidro de perfume: elas se movem inicialmente num estado relativamente ordenado, quando ainda estão confinadas no pequeno vidro, para um estado altamente desordenado quando se abre a tampa do vidro.
3. a) Irreversível, pois não há como juntar novamente os cacos de vidro da garrafa e refazê-la.
b) Irreversível, pois não há como desfazer a mistura e voltar com os produtos que se tinha antes da mistura.
c) Irreversível, pois apesar de o gelo poder se transformar em água e esta água novamente se transformar em gelo, parte da água do gelo se mistura com o refrigerante de forma a não ser possível seu retorno novamente ao gelo.
d) Irreversível, porque a lenha depois de queimada não poderá retornar a madeira original que se tinha antes da queima.

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e) Irreversível, pois não há como obter o pneu da mesma forma que antes de ser perfurado.
f) Reversível, pois a água do gelo poderá se transformar novamente em gelo.
• Observação : em todos os exemplos, ser reversível seria como "passar o filme" do fenômeno ao contrário e não a sensação de impossibilidade.
4. A primeira Lei da Termodinâmica se restringe apenas à conservação da energia, possibilitando todas as conversões de energia, uma vez que não estabelece um sentido único para as suas transformações. Já a segunda lei estabelece um “sentido preferencial” para a energia, uma vez que o calor flui espontaneamente somente do corpo quente para o corpo frio. A segunda lei considera ainda que a energia não aproveitada no processo (energia degradada) não pode ser reaproveitada pelo sistema.
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1. De acordo com a primeira Lei da Termodinâmica, a energia não pode ser criada, nem destruída, apenas transformada. Por isso, é impossível que uma máquina seja capaz de realizar trabalho sem que uma energia seja transformada e cedida ao sistema.

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Pesquisa: Responder questões da página 51

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Fontes primárias: as fontes primárias de energia apresentam-se disponíveis aos seres vivos na forma ou estado que o ciclo da natureza oferece e determina. Elas são utilizadas na forma como provém da natureza.
Fontes secundárias: são fontes derivadas das fontes primárias, representando apenas transformações ou conversões da energia.
Fontes Renováveis e não Renováveis: as fontes classificadas como não renováveis são aquelas cuja escala de tempo envolvida no processo de reposição natural é da ordem de milhares ou milhões de anos, além de requerer condições favoráveis, como pressão e temperatura. Quanto à reposição artificial dessas fontes, quando não é impossível, é absolutamente inviável, já que na maioria das vezes envolve um gasto energético igual ou superior à quantidade de energia a ser obtida.
Já as fontes renováveis são aquelas cuja reposição pode ser feita facilmente, envolvendo escalas de tempo da ordem de alguns anos, como, por exemplo, a biomassa.


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O carbono é o componente primário de toda matéria orgânica. Ele pode ser encontrado em grandes concentrações na atmosfera terrestre, nas rochas, no solo e nos sedimentos. O ciclo de carbono possui várias fases, sendo as duas principais a fotossíntese e a respiração. A fotossíntese é o processo em que as plantas absorvem a energia solar e CO2 da atmosfera, produzindo oxigênio e carboidratos (açúcares, como a glicose), elementos fundamentais para o crescimento das plantas. Já a respiração é a fase na qual essa glicose é decomposta para liberar a energia usada pelo organismo. Os animais e as plantas utilizam os carboidratos na respiração, utilizando a energia contida na glicose e emitindo CO2. Juntamente com a decomposição orgânica (forma de respiração das bactérias e fungos), a respiração devolve o carbono (depositado nos ecossistemas terrestres e marinhos) para a atmosfera. É por meio de processos como fotossíntese, respiração e decomposição que os átomos de carbono circulam, seja pela atmosfera, pelos vegetais, pelos animais e pelos oceanos. Desse modo, podemos perceber que tanto na fotossíntese como na respiração, fundamentais no ciclo do carbono, estão envolvidos os primeiros e os principais processos de transformação de energia no ambiente terrestre.

1. O carbono passa por várias fases. Ele pode ser incorporado aos seres vivos (participando de estruturas ou de processos bioquímicos fundamentais para a vida), pode retornar à atmosfera na forma de gás carbônico pela respiração e também pela decomposição dos seres vivos após sua morte (em que ocorre liberação do carbono remanescente). Entretanto, em certas condições, a matéria orgânica pode ficar livre da ação de decompositores e vir a sofrer lentas e gradativas transformações químicas. Dessa maneira, se originam os depósitos de carvão e petróleo.

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2. Sim, pois direta ou indiretamente todos os tipos de energia utilizados pelas máquinas em geral provêm da radiação solar. A gasolina, o óleo diesel e outros derivados do petróleo são formados por fósseis de vegetais e animais, assim como os alimentos, carvão vegetal e a lenha, produzidos pelas plantas, são resultados de transformações da energia proveniente do sol. A hidroeletricidade, como a energia dos ventos e as combustões de todos dos tipos, também dependem da radiação solar, seja para a evaporação da água, para a circulação do ar ou para a fotossíntese, responsável pela formação dos combustíveis.
3. Participa de certo modo, pois toda substância orgânica tem carbono em suas moléculas e o álcool é produzido a partir da cana-de-açúcar, um vegetal. A vantagem é que o álcool é considerado energia renovável, pois se pode plantar e colher a cana, o que não pode ser feito com a energia produzida a partir do petróleo.