Efeitos do calor e aplicações do cotidiano

Entre os trilhos da linha férrea deixam-se pequenas folgas a cada certa distância, e o mesmo acontece entre os tabuleiros de muitas pontes, como mostra a figura.

Que efeito do calor essas juntas estão prevenindo? O que poderia acontecer se não existissem?

Explique com as suas palavras o que é a dilatação e dê um exemplo do cotidiano em que ela seja perceptível, diferente do termômetro.

Uma ponte de concreto de $300\ \text{m}$ pode aumentar de comprimento vários centímetros no verão.

1. a) Por que a ponte se dilata?
2. b) O que aconteceria nos extremos da ponte se ela fosse construída sem juntas de dilatação?
3. c) As juntas estarão mais abertas ou mais fechadas no inverno? Justifique a resposta.

A tampa metálica de um pote de doce não abre de jeito nenhum. Você coloca água quente da torneira sobre ela durante alguns segundos e, ao tentar de novo, ela abre facilmente. Explique o que aconteceu, considerando que o metal se dilata mais do que o vidro.

Nas linhas modernas de alta velocidade, os trilhos são soldados formando trechos contínuos de quilômetros, sem juntas, apesar da dilatação.

1. a) Que problema as juntas clássicas entre trilhos resolviam?
2. b) Por que você acha que um trem de alta velocidade prefere trilhos contínuos?
3. c) Fundamente de que modo se pode fixar o trilho aos dormentes para suportar a dilatação: ao instalá-lo, convém deixá-lo mais tenso no verão ou no inverno? Justifique.

Uma lâmina bimetálica é constituída por dois metais diferentes unidos entre si; ao ser aquecida, um se dilata mais do que o outro e a lâmina se curva.

1. a) Para que lado ela se curva: para o metal que mais se dilata ou para o que menos se dilata? Justifique.
2. b) Os termostatos dos ferros de passar e do aquecedor utilizam esse efeito para ligar e desligar o aparelho. Explique o funcionamento desse princípio.

Um termômetro clássico tem um bulbo com um líquido (antigamente mercúrio, hoje álcool colorido) que sobe por um tubo muito fino quando está calor, como se mostra na figura.

Em que efeito do calor se baseia o seu funcionamento? Explique.

O líquido de um termômetro se dilata muito pouco e, no entanto, a coluna sobe bastante pelo tubo. Sabendo que o tubo é um capilar muito fino, explique de que forma se consegue que uma pequena dilatação de volume se traduza em uma subida grande e fácil de ler.

Ao aquecer gelo, ele se transforma primeiro em água líquida e, se continuarmos a aquecer, em vapor. Observe o esquema da figura:

1. a) Como se chamam essas duas mudanças de estado?
2. b) Como se chamam as mudanças inversas, que ocorrem ao resfriar?
3. c) Em cada uma das quatro mudanças, indique se a água absorve ou cede energia.

Você estende a roupa molhada e, ao fim de algumas horas, ela está seca.

1. a) Que mudança de estado a água da roupa sofreu?
2. b) De onde ela retirou a energia necessária para essa mudança?

Quando está muito calor, transpiramos e, ao evaporar o suor, sentimos alívio.

1. a) Que mudança de estado o suor sofre?
2. b) Essa mudança necessita de energia: de onde ela a retira?
3. c) Use o que foi dito para explicar por que um ventilador nos refresca mesmo sem esfriar o ar.

Numa panela de pressão o vapor não consegue escapar e a pressão interna aumenta, de modo que a água ferve acima dos $100\ ^\circ\text{C}$.

1. a) Explique por que os alimentos cozinham mais rápido do que numa panela comum.
2. b) Que relação existe entre a pressão e a temperatura de ebulição da água?

Você coloca dois cubos de gelo em um copo de refrigerante que está à temperatura ambiente.

1. a) Que mudança de estado os cubos de gelo sofrem?
2. b) De onde eles retiram a energia necessária para essa mudança?
3. c) Explique, com as respostas anteriores, por que a bebida esfria.

Uma queimadura com vapor de água a $100\ ^\circ\text{C}$ é mais grave do que uma queimadura com água fervendo a $100\ ^\circ\text{C}$.

1. a) Que mudança de estado o vapor sofre ao entrar em contato com a pele?
2. b) Considerando que essa mudança de estado libera energia, explique por que o vapor queima mais, embora esteja à mesma temperatura que a água fervendo.

No topo de uma montanha com $3000\ \text{m}$ de altitude, onde a pressão atmosférica é bastante menor do que ao nível do mar, a água ferve a cerca de $90\ ^\circ\text{C}$.

1. a) Explique que relação existe entre a pressão e a temperatura de ebulição da água.
2. b) Por que razão é mais difícil cozinhar bem um ovo na montanha do que na praia, embora a água esteja fervendo em ambos os locais?
3. c) O que aconteceria se você usasse uma panela de pressão na montanha? Justifique.

Por que razão um casaco de fleece ou uma blusa de lã nos aquecem? A peça de roupa «dá calor» ao corpo ou faz outra coisa? Explique.

Uma garrafa térmica mantém o café quente durante horas, mas também serve para levar água gelada no verão. Explique o que a garrafa térmica faz com o calor em cada caso: aquece, esfria ou impede a passagem do calor?

As janelas de vidro duplo contêm uma camada de ar retida entre os dois vidros, como mostra a figura.

Sabendo que o ar parado é mau condutor térmico, explique o que se consegue com essa camada no inverno.

Uma garrafa térmica é composta por um recipiente de parede dupla com vácuo entre elas, superfícies prateadas e uma tampa hermética, como se mostra na figura.

Explique qual mecanismo de transmissão de calor é bloqueado por cada uma dessas três características.

Nas casas com piso radiante, tubos de água quente percorrem o chão e aquecem a moradia de forma muito confortável.

1. a) Por qual mecanismo o calor se distribui do chão para o resto do cômodo?
2. b) Por que razão é mais confortável aquecer a partir do chão do que com um radiador pequeno muito quente em um canto?

Um iglu é feito de blocos de neve compactada, cheia de pequenas bolsas de ar, e no seu interior a temperatura se mantém perto dos $0\ ^\circ\text{C}$ embora no exterior estejam $-20\ ^\circ\text{C}$, como se mostra na figura.

1. a) Por que a neve compactada é um bom isolante apesar de estar fria?
2. b) Que mecanismos de perda de calor são reduzidos pela forma fechada do iglu?
3. c) Se no interior a temperatura subir acima dos $0\ ^\circ\text{C}$, o iglu não derrete? Fundamente as três respostas.

Uma moradia tem janelas de vidro duplo, persianas externas e cortinas grossas.

1. a) Explique de que modo cada um dos três elementos contribui para reduzir as perdas de calor no inverno.
2. b) No verão, que combinação de persianas e cortinas você usaria de dia e de noite para manter a casa fresca? Justifique as suas decisões pensando nos três mecanismos de transmissão de calor.

Desafio do tema. Como auditor energético doméstico, crie um protótipo de isolamento para evitar que uma bebida quente esfrie rapidamente.

1. Condições ambientais: Consulte no site do INMET a temperatura atual da sua localidade e registre-a juntamente com a do interior da sua casa, expressando ambas em graus Celsius e em kelvin ($T(\text{K}) = T(^\circ\text{C}) + 273,15$).

2. Experiência caseira: Coloque água quente em dois copos iguais: um ao ar livre e outro tampado com papel-alumínio. Meça a temperatura a cada $3\text{ min}$ durante $15\text{ min}$, considerando a incerteza instrumental (termômetro $\pm 1\,^\circ\text{C}$ e cronômetro $\pm 1\text{ s}$).

3. Tratamento de dados: Construa uma tabela com as suas medições e faça o gráfico das curvas de resfriamento ($T$ em função de $t$). Identifique em que zonas atuam a condução, a convecção e a radiação, analisando o equilíbrio térmico com o meio ao redor.

4. Proposta fundamentada: Elabore um relatório breve com uma proposta de garrafa térmica caseira eficiente usando materiais reciclados do dia a dia.

Será valorizado:

• Conversão correta entre escalas termométricas e expressão adequada de incertezas ($\pm 1\,^\circ\text{C}$, $\pm 1\text{ s}$).

• Construção rigorosa da tabela de dados e gráfico comparativo de resfriamento.

• Identificação e justificativa física precisa de condução, convecção e radiação.

• Coerência científica, criatividade e viabilidade na proposta do isolante caseiro.

Você esqueceu no freezer uma garrafa de vidro completamente cheia de água e bem fechada e, no dia seguinte, ela está quebrada.

1. a) A água é uma substância anômala: ao congelar, ela se dilata em vez de se contrair. Explique, com esse dado, por que a garrafa quebrou.
2. b) Preveja o que aconteceria se a garrafa fosse de plástico flexível e não estivesse totalmente cheia. Justifique a resposta.

Um balão de ar quente sobe quando um queimador aquece o ar no interior dele, como mostra a figura.

1. a) Ao ser aquecido, o ar se dilata ou se contrai?
2. b) Como varia a densidade dele em relação ao ar exterior?
3. c) Explique por que o balão sobe e o que o piloto deve fazer para descer, relacionando tudo com os efeitos do calor.