Exercícios: Efeitos do calor sobre a matéria

O que é a dilatação térmica? Explique com as suas palavras e dê um exemplo do dia a dia em que ela seja perceptível, que não seja o do termômetro.

Quando faz calor, o líquido vermelho de um termômetro sobe pelo tubo fino; quando faz frio, desce. Observe a figura.

1. a) O que acontece com o volume do líquido quando ele esquenta?
2. b) Como se chama esse efeito do calor?

Entre os trilhos de uma linha de trem existem pequenas folgas a cada determinado intervalo de distância. Observe a figura.

1. a) Para que servem essas folgas?
2. b) O que aconteceria com os trilhos num dia de muito calor se a via não tivesse essas folgas?

A tampa metálica de um vidro de azeitonas não abre de jeito nenhum. A avó do Lucas coloca-a alguns segundos sob a água quente da torneira e depois abre sem dificuldade. Sabendo que o metal se dilata mais do que o vidro, explique o método da avó.

Ao aquecer, o gelo se transforma em água líquida e, se continuarmos aquecendo, em vapor.

1. a) Como se chama a passagem de sólido a líquido?
2. b) E a passagem de líquido a gás?
3. c) Como se chamam as duas transformações inversas, que ocorrem durante o resfriamento?

Depois da chuva, as poças de água no parque desaparecem assim que o Sol aparece.

1. a) Que mudança de estado físico ocorre com a água das poças?
2. b) De onde a água obtém o calor necessário para essa mudança de estado?

O varal do quintal fica mais esticado e reto no inverno, ao passo que no verão fica caído, formando uma curva. Observe a figura.

Explique este fenômeno com base na dilatação térmica.

Ao apagar uma vela, a cera derretida junto ao pavio endurece em poucos minutos.

1. a) Como se chama a mudança de estado sofrida pela cera?
2. b) Nessa mudança, a cera absorve ou libera calor?

Um cubo de gelo é retirado do freezer a $-10\ ^\circ\text{C}$ e colocado em um prato na cozinha.

1. a) Até que temperatura o gelo sobe antes de começar a derreter?
2. b) Como se chama a mudança de estado físico que ele sofre a seguir?
3. c) Nessa mudança, a água absorve ou libera calor?

Nas montanhas, a água da chuva se infiltra nas fendas das rochas. À noite congela e, aos poucos, as fendas aumentam até que a rocha acaba se partindo. Observe a figura.

Sabendo que a água aumenta de volume ao congelar, explique como ela consegue partir a rocha.

A água congela a $0\ ^\circ\text{C}$ e ferve a $100\ ^\circ\text{C}$. Indique em que estado físico se encontra a água em cada caso e justifique. A figura situa os três casos em uma escala de temperatura:

1. a) A água da pista de gelo, que está a $-3\ ^\circ\text{C}$.
2. b) A água de um copo, que está a $25\ ^\circ\text{C}$.
3. c) A água que sai de uma panela, que está a $110\ ^\circ\text{C}$.

Se você despejar água fervendo de repente em um copo de vidro grosso, ele pode rachar; em um copo de vidro fino é menos provável. Considerando que a face interna do vidro esquenta e se dilata antes da face externa, explique por que o copo grosso quebra com mais facilidade.

Ao cozinhar macarrão, a parte de baixo da tampa da panela fica cheia de gotículas de água. Observe a figura.

1. a) O que acontece com o vapor quando toca na tampa, que está mais fria?
2. b) Como se chama essa mudança de estado físico?
3. c) Ao se transformar em gotas, o vapor absorve ou libera calor?

Num termômetro de álcool, a coluna sobe $10\ \text{cm}$ quando a temperatura passa de $0\ ^\circ\text{C}$ a $50\ ^\circ\text{C}$. Observe a figura.

1. a) Quantos centímetros a coluna sobe por grau?
2. b) Quanto a coluna subirá se a temperatura passar de $10\ ^\circ\text{C}$ a $35\ ^\circ\text{C}$?

Na casa da Noa, a porta de madeira do terraço roça no batente e custa a fechar em agosto, mas em janeiro fecha bem.

1. a) Explique este fato com base na dilatação.
2. b) Em que época do ano a porta estará um pouco mais «encolhida»?

Ao sair do chuveiro, o Nico sente frio mesmo que o banheiro esteja quente.

1. a) Que mudança de estado físico sofre a água que fica sobre a sua pele?
2. b) De onde essa água retira o calor de que precisa para a mudança?
3. c) Use as respostas anteriores para explicar por que convém nos secarmos logo com a toalha.

Você amarra um balão meio cheio e o deixa perto da janela, onde pega sol: depois de algum tempo, ele está mais cheio. Observe a figura.

1. a) O que acontece com o ar dentro do balão ao ser aquecido?
2. b) Preveja o que acontecerá se você colocar esse balão por algum tempo na geladeira.
3. c) Pensando no balão, no álcool do termômetro e em uma régua metálica, coloque em ordem decrescente o quanto dilatam com o calor um gás, um líquido e um sólido.

Uma ponte metálica se alonga $1\ \text{cm}$ por cada grau que a sua temperatura sobe. Observe o esquema da ponte.

1. a) Entre uma noite de inverno a $0\ ^\circ\text{C}$ e uma tarde de verão a $35\ ^\circ\text{C}$, quantos graus sobe a temperatura da ponte?
2. b) Quantos centímetros a ponte se alonga entre esses dois dias?
3. c) As juntas de dilatação da ponte estarão mais abertas no inverno ou no verão? Justifique a resposta.

Uma porca de aço está emperrada no respectivo parafuso e o mecânico a aquece com um maçarico para desapertá-la.

1. a) O que acontece com a porca ao ser aquecida?
2. b) Por que isso ajuda a desapertá-la?
3. c) Que problema haveria se o parafuso esquentasse tanto quanto a porca?

Aquecemos lentamente gelo que está a $-10\ ^\circ\text{C}$ até transformá-lo em vapor a $110\ ^\circ\text{C}$, medindo a temperatura o tempo todo. A montagem é a da figura.

1. a) Faça uma lista com as cinco etapas do processo, indicando o que existe em cada etapa (gelo, água, vapor ou mistura) e o que acontece com a temperatura.
2. b) Em quais duas etapas a temperatura não sobe, embora continuemos fornecendo calor? Em que temperaturas isso ocorre?
3. c) Em que está sendo utilizado o calor durante essas duas etapas?

A água do mar evapora com o calor do Sol; o vapor sobe, esfria nas camadas altas da atmosfera e forma as nuvens; no final, cai a chuva.

1. a) Indique a mudança de estado físico que a água do mar sofre ao se converter em vapor.
2. b) Indique a mudança de estado físico que ocorre quando se formam as gotículas da nuvem.
3. c) Em cada uma dessas duas mudanças, a água absorve ou libera calor? Quem o fornece ou retira?

Numa base científica da Antártida o termômetro marca $-50\ ^\circ\text{C}$. O mercúrio congela a $-39\ ^\circ\text{C}$ e o álcool a $-114\ ^\circ\text{C}$. A figura resume os dados numa escala de temperatura.

1. a) Que termômetro é útil lá, o de mercúrio ou o de álcool?
2. b) O que acontece com o líquido do outro termômetro, tornando-o inutilizável?
3. c) Como se chama a mudança de estado físico que esse líquido sofre?

A água é uma substância com um comportamento peculiar: ao congelar, aumenta de volume, por isso o gelo é menos denso do que a água líquida.

1. a) Explique por que os cubos de gelo flutuam no copo.
2. b) Em um lago no inverno, congela primeiro a superfície ou o fundo? Justifique.
3. c) Que vantagem isso traz para os peixes que vivem no lago?

Colocamos uma cubeta cheia de água no freezer e medimos a sua temperatura de cinco em cinco minutos: $20\ ^\circ\text{C}$, $12\ ^\circ\text{C}$, $5\ ^\circ\text{C}$, $0\ ^\circ\text{C}$… e durante bastante tempo continua marcando $0\ ^\circ\text{C}$ enquanto se forma o gelo. O gráfico reúne as medições.

1. a) O seu irmão diz que a água deveria passar de $0\ ^\circ\text{C}$ a $-5\ ^\circ\text{C}$ sem parar. Quem tem razão, ele ou você? Por quê?
2. b) Enquanto o gelo está se formando, a água continua perdendo calor ou não?
3. c) Em que é utilizado esse calor que a água perde durante a mudança de estado físico?

Desafio do tema. Como evitar que uma bebida quente perca energia rapidamente? Torne-se auditor energético e projete um isolante térmico caseiro analisando a transferência de calor.

1. Fase 1. Medição base: Despeje $150\text{ ml}$ de água quente (a cerca de $50\text{ }^\circ\text{C}$) em um copo. Meça a temperatura a cada $4\text{ min}$ durante $16\text{ min}$ com um termômetro caseiro (registre a incerteza dele, por exemplo $\pm 0,5\text{ }^\circ\text{C}$). Consulte no site do INMET a temperatura atual da sua cidade como referência ambiental.

2. Fase 2. Prototipagem e teste: Escolha um material do dia a dia (papel-alumínio, lã ou papelão) para forrar o copo. Repita o experimento partindo da mesma temperatura inicial e registrando as medições nos mesmos intervalos.

3. Fase 3. Relatório e conclusões: Apresente uma tabela de dados e elabore um gráfico de temperatura ($T$) em função do tempo ($t$) que compare as duas curvas. Justifique qual material retarda melhor o resfriamento, fundamentando-se no equilíbrio térmico e na propagação do calor.

Será valorizado:

• Rigor na coleta de dados, indicando a incerteza e incluindo a tabela e o gráfico comparativo.

• Distinção conceitual correta entre calor, temperatura e equilíbrio térmico nas conclusões.

• Justificativa fundamentada da eficácia do protótipo diante das perdas de energia.