Teremos aula do reforço GEMAG, com dicas de redação, matemática e Física, nesse domingo, 7, às 8:30h, na escola quilombola Firmo Santino da Silva, em Caiana dos Crioulos de Alagoa Grande-PB.
Temperatura
Você já viu que a temperatura é medida com um termômetro. Do ponto de vista da física moderna, podemos definir a temperatura como sendo a grandeza física que mede o grau de agitação interna dos constituintes internos da matéria. No caso de um fluido(líquido ou gás) são as moléculas. Nos sólidos, a temperatura mede o aumento da energia cinética das vibrações dos átomos na rede cristalina.
Os pontos e fusão e vaporização das escalas termométricas medidas em graus Celsius(T_C), Farenheit(T_F) e kelvim(T_K).
Pontos de Fusão: T_C=0, T_K= 273 e T_F=32.
Pontos de ebolição ou vaporização: T_C=100oC, T_K= 373 e T_F=212
Veja a comparação das 3 escalas termométricas.
Comparando as 3 escalas termométricas, obtemos:
T_F=(9/5)T_C+32
T_K=T_C+273
Exemplo: determine a temperatura no quilombo Caiana dos Crioulos, em graus Kelvin e Farenheit, sabendo que o termômetro está indicando 30 graus Celsius ou centrigados.
Solução
Dado: T_C=30 oC.
Então,
T_F=(9/5)T_C+32=(9x30/5+32)F=(9x6+32)F=(54+32)F= 86F
T_K=T_C+273=(30+273)K=303K
Respostas: T_K=303K e T_F=865F.
Calorimetria.
Calor é energia em trânsito, partindo de um corpo com temperatura maior para outro corpo com temperatura menor. Quanto atingir o equilíbrio térmico o calor cessa. A unidade de calor mais usada é a caloria(cal), que está relacionada com joule(J) por 1cal=4,18J.
A capacidade térmica, C, não significa que o corpo absorve uma quantidade de calor. C é a variação de energia térmica de um corpo para aumentar a temperatura em um grau do corpo.
C=∆Q/∆T
∆Q⇾Variação de calor sensível ocorre a volume constante ou a pressão constante, sob uma variação da temperatura ∆T.
∆T⇾variação de temperatura, isto é, ∆T= temperatura final subtraída da temperatura inicial.
Leia mais
Comparando ambos conceitos. É errado dizer que você está com muito calor se a temperatura está alta.
Unidade: cal/goC
Portanto, o calor sensível torna-se:
Resumo das escalas Termométricas
Portanto, o calor sensível está relacionado com a variação de temperatura através da equação fundamental da calorimetria:
ΔQ=mcΔT,
Com m sendo a massa da substância, c é o calor específico e ΔT é a variação de temperatura.
O calor Latente L é aquele necessário para uma certa substância sofrer uma mudança de fase, por exemplo, quando a água atinge os 100 graus celsius ela passa do estado líquido para o estado de vapor, sem mudar a sua temperatura.
ΔQ=mL.
Unidade: cal/oC(grau celsius)
A equação de estado dos gases ideais,
A lei dos gases ideais define a equação de estado, que é governada pela seguinte equação:
PV=NKT
Com P-pressão, N-número de partículas, K a constante de Boltzmann. e T a temperatura.
O número de moles n é definido por
n=N/N_A
Com N_A=número de Avogrado
N_A=6,022x1023
A constante de Bolztmann em termos da constante universal dos gases R
R=N_AK ⇔ K=R/N_A
Portanto,
PV=NKT=nN_AKT=nRT ⇔ PV=nRT.
Esta é uma equação em termos das condições do gás ideal, pressão, temperatura e volume. No modelo de gás ideal, as moléculas não interagem entre si e não interagem com as paredes do recipiente. Elas sofrem choquem elásticos, ou seja, as suas energias cinéticas se conservam.
Veja uma expressão para a energia cinética média das N moléculas de um gás, em termos de sua temperatura,
E_c=3NKT/2,
o que está de acordo com a definição da temperatura, que a energia cinética depende somente da temperatura e vice-versa.
CNTP
Vimos que as condições Normais de temperatura (T_k=273K) e pressão(P=1atm) (CNTP) o volume é de V=22,41 litros.
Calor Latente e calor sensível
A calor latente de vaporizaçã(Entalpia) da água é a quantidade de calor necessária, a temperturaa onstante, para alterar um grama de uma substânia do estado líquido para o estdo de vapor.
O calor latente de condensação da água é a quantidade de calor necessária, paraa ela passar do estado e vapor para o estsado líquido.
Calor latente de vaporização da água
L_v=540cal/g.
Calor latente de condensação da água
L_c=-540 cal/g.
Calor latente de fusão do gelo
L_f=80cal/g.
A relação entre da unidade calor no sistema de unidade internacional de medida, 1cal =4,18 J.
Exemplo. Quanto calor é necessário para transformar 1,5kg de gelo, a temperatura de -20oC (graus celsius) e pressão de 1atm para vapor? Com o calor latente de vaporização L_V=2257KJ/kg=2257x1000 J/kg
Solução.
Devemos ceder uma quantidade de energia térmica, calor sensível, Q_1=mc∆T, para elevar a temperatura a zero graus celsius, em seguida ocorre uma mudança de fase do estado sólido em líquido, a energia térmica é cedida, em forma de calor latente de fusão, Q_2=mL_f.
Continuando a ceder energia térmica, em forma de calor sensível, Q_3=mc∆T, até a temperatura chegar a 100 oC(temperatura constante na vaporização). Por último, ocorre a mudança de fase do estado líquido para o estado de vapor, Q_4=mL_v.
Dados:
Massa m=1,5kg
Calor específico do gelo, c_gelo=2,05kJ/kg.K
Q_1=mc∆T=1,5kgx2,05kJ/kgx20K=61,5kJ=0,0615MJ
L_f=333,5KJ/kg
Q_2=mL_f=1,5kgx333,5kJ/kg=500KJ=0,500MJ
∆T=(100-0)K=100K
Calor específico da água, c_água=1cal/goC=4,18kJ/kg.K, lembre-se 1g=kg/1000.
Q_3=mc∆T=1,5kgx4,18(kJ/kgK)x100K=627kJ=0,627MJ
L_V=2257kJ/kg=2,257MJ/kg=2,26MJ/kg.
Então,
Q_4=mL_v=1,5kgx2,26MJ/kg=3,39MJ
A resposta desta questão será a soma das 4 parcelas de energia térmica, ou seja:
Q=Q_1+Q_2+Q_3+Q_4= 4,6 MJ.
Note que, usamos a relação 1M=1000k.
Questões do ENEM
ENEM 2010. Questão 46 - caderno amarelo da prova de Ciências da Natureza e suas Tecnologias de 2010.
Em nosso cotidiano, utilizamos as palavras “calor” e “temperatura” de forma diferente de como elas são usadas no meio científico. Na linguagem corrente, calor é identificado como “algo quente” e temperatura mede a “quantidade de calor de um corpo”. Esses significados, no entanto, não conseguem explicar diversas situações que podem ser verificadas na prática.
Do ponto de vista científico, que situação prática mostra a limitação dos conceitos corriqueiros de calor e temperatura?
a) A temperatura da água pode ficar constante durante o tempo que estiver fervendo.
b) Uma mãe coloca a mão na água da banheira do bebê para verificar a temperatura da água.
c) A chama de um fogão pode ser usada para aumentar a temperatura da água em uma panela.
d) A água quente que está em uma caneca é passada para outra caneca a fim de diminuir sua temperatura;
ENEM 2013. Em um experimento foram utilizadas duas garrafas PET, uma pintada de branco e a outra de preto, acopladas cada uma a um termômetro. No ponto médio da distância entre as garrafas, foi mantida acesa, durante alguns minutos, uma lâmpada incandescente. Em seguida a lâmpada foi desligada. Durante o experimento, foram monitoradas as temperaturas das garrafas:
a) enquanto a lâmpada permaneceu acesa e
b) após a lâmpada ser desligada e atingirem equilíbrio térmico com o ambiente. Termômetro
A taxa de variação da temperatura da garrafa preta, em comparação à da branca, durante todo experimento, foi
a) igual no aquecimento e igual no resfriamento.
b) maior no aquecimento e igual no resfriamento.
c) menor no aquecimento e igual no resfriamento.
d) maior no aquecimento e menor no resfriamento.
e) maior no aquecimento e maior no resfriamento.
Repostas das questões do ENEM final desta postagem.
Trabalho em Mecânica Clássica
O trabalho mecânico foi visto na última aula. Aqui iremos fazer apenas uma aplicação.
Considere um bloco de madeira sendo puxado por uma força de intensidade de 35N, sob uma força de atrito de 15N. Qual o trabalho realizado pela força resultante?
Como a força resultante está na direção do deslocamento, o trabalho será simplesmente o produto da força resultante(FR) pela distância percorrida d, ou seja,
𝛕=FRd.
Dados:
F=35N
e Força de atrito é Fat=15N
⇔FR=F-Fat=(35-15)N=20N.
Distância d=6000cm⇔d=60m.
Portanto, o trabalho da força resultante torna-se:
𝛕=FRd=20x60J=1200J.
Energia Mecânica
No ensino médio é visto duas formas de energia
1) A energia potencial gravitacional Epg é equivalente ao sistema realizar trabalho, ou seja, ela representa o trabalho realizado pela força peso(P=mg) para deslocar um corpo sob ação da gravidade, deslocando de uma altura h.
Epg=𝛕=Ph=mgh,
com P=mg sendo o peso de um corpo de massa m no campo gravitacional g.
Unidade no SI: J(Joule).
2) A outra forma de energia potencial é a energia potencial elástia Epe . Neste caso, o sistma massa-mola, realiza trabalho, ou seja, ela representa o trabalho realizado pela força elática da lei de Hooke:
F=kx,
a força da mola aumenta com a distância ou elengação da mola, depois de tiradar o sitema do equilibrio e abandonada, ela desloca um corpo de massa M no sentido contrário da elongação, netes caso a componete da força restauradora da mola tem um sinal negativo, ou seja:
Fx=-kx.
A energia potencial elástia é dada por:
Epe =kx2/2 .
O gráfico da energia potencial elástia com Epe na vertical e x na horizontal é uma parábola centrada na origem.
Energia cinética- energia de movimento
Enquanto a equação da energia potencial depende do sistema em estudo. No caso, da energia cinética a equação tem sempre a mesma forma para um corpo de massa m, em movimento, multiplicada pelo quadrado da sua velocidade e dividido por 2.
Atenção! Se a massa for medida em grama e a distância em centímetro, a força será medida em dina e o trabalho em erg. Elas estão relacionadas por
1J=107erg e 1N=105dina, ou seja,
1erg= 10-7J e 1dina = 10-5N
Teorema Trabalho-Energia
No caso de sistema com forças conservativas, o trabalho mecânico é igual ao negativo variação da energia potencial.
𝛕=-∆U=-(Uf-Ui),
com Ep=U, aqui Ui é a energia potencial inicial e Uf é a energia potencial final.
No caso de sistema com forças não- conservativas, o trabalho mecânico é igual a variação da energia cinética, ou seja,
𝛕=∆Ec.
Energia Mecânica
A energia mecânica total é a soma de duas parcelas: energia cinética (Ec) e energia potencial (Epg). Desprezando o atrito, a energia mecânica EM é conservativa, ou seja, a energia potencial se transforma em energia cinética e vice-versa, sem mudar o valor da soma de ambas parcelas.
𝛕=-∆U=∆Ec
então, obtemos:
∆( Ec+ U)=0.
Portanto, a energia mecânica se conserva,
EM=Ec+U
é uma constante de movimento.
Escolhendo dois pontos A e B, podemos escrever a lei de conservação: a energia mecânica total em A é a mesma no ponto B, ou seja,
EM(A) = EM(B),
com
EM(A) = EM(B),
com
EM = Ec + Ep
Exercícios sobre Oscilações
1) Determine a energia potencial elástica de um oscilador massa-mola, baseado em um carrinho com massa de de 200g preso na extremidade de uma mola, com uma constante elástica de 20N/m, oscila em trilho de ar sem atrito, qual a velocidade máxima se amplitude do movimento é de 10cm.
(Na lista de exercício proposto coloquei, x=4cm.)
Solução
Primeiro colocaremos as grandezas física no sistema internacional de medida(SI). Massa: m=200g=0,2kg. Constante elástica: k=20N/m.
Usando a lei de conservação da energia mecânica, quando o carrinho estiver em x=10cm=0,1m, temos somente a energia potencial elástica (Epe) e a energia cinética máxima (Ec) ocorre em x=0. Portanto, Ec=(1/2)mv2=Epe =(1/2)(kA2=(20/2)(0,12)=10/102,
ou seja,
Ec=0,1J(Joule)=106ergs.
Pois,
1J(Joule)=107ergs.
1J(Joule)=107ergs.
Para calcular a velocidade máxima, temos mv2 = kA2
0,2 v2 = 20 x0,12 ------------ v2 = 102 x(1/10)2 =1.
Logo, obtemos a velocidade máxima, v=1m/s.
Observação. Colocando o sistema massa-mola na vertical, no equilíbrio, quando a mola alcançar a deformação máxima, ocorrerá o equilíbrio da força da mola com a força peso, ou seja, F=KA=P=mg.
Neste caso, podemos verificar o valor da constante elástica da mola, usando a aceleração da gravidade local, g=10m/s2. K=mg/A=0,2x10/0,1=2x10, isto é, k=20N/m. Como queríamos verificar.
2) Considere uma mola fixa de constante elástica igual a 80 N/m e um bloco de massa de 20000g. Puxando o bloco preso na outra extremidade da moa mola, observamos o sistema massa-mola executando um movimento harmônico simples. Quais são a frequência e o período de oscilação?
Solução
Massa: m=20000g=20kg.
Acesse o blog ciências e educação, para assistir as aulas ao vivo.
http://rafaelrag.blogspot.com/2020/10/aula-10-de-introducao-fisica-sobre.html?m=1
Reforço GEMAG-grupo de estudo multidisciplinar de Alagoa Grande para o ENEM 2021. Professor Rafael no dia dos servidores públicos, 28 de outubro, ministrou um reforço de Física, com dicas para o ENEM 2021. Leia mais.
Respostas. ENEM 2010. Letra A. ENEM 2013. Resposta E.
Blog rafaelrag
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