Exercícios: Efeitos do calor e aplicações do quotidiano

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

Que efeito do calor estarão essas juntas a prevenir? O que poderia acontecer se não existissem?

Um termómetro clássico tem um bolbo 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? Explica-o.

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

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

Explica pelas tuas palavras o que é a dilatação e dá um exemplo do quotidiano em que ela se note, diferente do termómetro.

Por que razão é que um casaco polar ou uma camisola de lã nos aconchegam? A peça de roupa «dá calor» ao corpo ou faz outra coisa? Explica.

Um termo mantém o café quente durante horas, mas também serve para levar água fria no verão. Explica o que faz o termo ao calor em cada caso: aquece, arrefece ou impede a passagem do calor?

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

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

Estendes a roupa molhada e, ao fim de algumas horas, está seca.

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

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

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

A tampa metálica de um frasco de doce não abre de maneira nenhuma. Colocas-lhe água quente da torneira durante alguns segundos e, ao tentar de novo, abre facilmente. Explica o que aconteceu, tendo em conta que o metal se dilata mais do que o vidro.

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

1. a) Explica por que razão os alimentos cozem mais depressa do que numa panela normal.
2. b) Que relação existe entre a pressão e a temperatura de ebulição da água?

Um termo é composto por um recipiente de parede dupla com vácuo entre elas, superfícies prateadas e uma tampa hermética, como se mostra na figura.

Explica que mecanismo de transmissão de calor é bloqueado por cada uma dessas três características.

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

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

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

1. a) Que mudança de estado sofre o suor?
2. b) Essa mudança necessita de energia: de onde a retira?
3. c) Utiliza o que foi referido para explicar por que razão uma ventoinha nos refresca mesmo sem arrefecer o ar.

Colocas dois cubos de gelo num copo de refrigerante que está à temperatura ambiente.

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

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

Nas linhas modernas de alta velocidade, os carris são soldados formando troços contínuos de quilómetros, sem juntas, apesar da dilatação.

1. a) Que problema resolviam as juntas clássicas entre carris?
2. b) Por que razão achas que um comboio de alta velocidade prefere carris contínuos?
3. c) Fundamenta de que modo se pode fixar o carril às travessas para suportar a dilatação: ao instalá-lo, convém deixá-lo mais tenso no verão ou no inverno? Justifica.

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

1. a) Para que lado se curva: para o metal que mais se dilata ou para o que menos se dilata? Justifica.
2. b) Os termóstatos dos ferros de engomar e do aquecimento utilizam este efeito para ligar e desligar o aparelho. Explica o funcionamento deste princípio.

Esqueces-te de uma garrafa de vidro completamente cheia de água e bem fechada no congelador e, no dia seguinte, está partida.

1. a) A água é uma substância anómala: ao congelar, dilata-se em vez de se contrair. Explica, com este dado, por que razão a garrafa se partiu.
2. b) Prevê o que aconteceria se a garrafa fosse de plástico flexível e não estivesse totalmente cheia. Justifica a resposta.

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

1. a) Que mudança de estado sofre o vapor ao contactar com a pele?
2. b) Tendo em conta que essa mudança de estado liberta energia, explica por que razão o vapor queima mais, embora esteja à mesma temperatura que a água a ferver.

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

1. a) Por que razão a neve compactada é um bom isolador 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? Fundamenta as três respostas.

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) Explica que relação existe entre a pressão e a temperatura de ebulição da água.
2. b) Por que razão é mais difícil cozer bem um ovo na montanha do que na praia, embora a água esteja a ferver em ambos os locais?
3. c) O que aconteceria se utilizasses uma panela de pressão na montanha? Justifica.

Uma habitação tem janelas de vidro duplo, estores exteriores e cortinas grossas.

1. a) Explica de que modo cada um dos três elementos contribui para travar as perdas de calor no inverno.
2. b) No verão, que combinação de estores e cortinas utilizarias de dia e de noite para manter a casa fresca? Justifica as tuas decisões pensando nos três mecanismos de transmissão de calor.

Um balão de ar quente sobe quando um queimador aquece o ar no seu interior, como se mostra na figura.

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

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

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

2. Experiência caseira: Deita água quente em dois copos iguais: um ao ar livre e outro tapado com papel de alumínio. Mede a temperatura a cada $3\text{ min}$ durante $15\text{ min}$, considerando a incerteza instrumental (termómetro $\pm 1\,^\circ\text{C}$ e cronómetro $\pm 1\text{ s}$).

3. Tratamento de dados: Constrói uma tabela com as tuas medições e faz o gráfico das curvas de arrefecimento ($T$ em função de $t$). Identifica em que zonas atuam a condução, a convecção e a radiação, analisando o equilíbrio térmico com o meio envolvente.

4. Proposta fundamentada: Elabora 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 arrefecimento.

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

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