Exercícios: Efeitos do calor sobre a matéria

O que é a dilatação térmica? Explica com as tuas palavras e dá um exemplo do dia a dia onde se note, que não seja o do termómetro.

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

1. a) O que acontece ao volume do líquido quando este aquece?
2. b) Como se chama esse efeito do calor?

Entre os carris de uma linha de comboio existem pequenas folgas a cada determinado intervalo de distância. Observa a figura.

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

A tampa metálica de um frasco de azeitonas não abre de forma alguma. A avó do Tomás 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, explica o método da avó.

Ao aquecer, o gelo transforma-se em água líquida e, se continuarmos a aquecer, 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 arrefecimento?

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

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

A corda da roupa no pátio fica mais esticada e reta no inverno, ao passo que no verão fica descaída, formando uma curva. Observa a figura.

Explica este fenómeno 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 liberta calor?

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

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

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

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

A água congela a $0\ ^\circ\text{C}$ e ferve a $100\ ^\circ\text{C}$. Indica em que estado físico se encontra a água em cada caso e justifica. A figura situa os três casos numa 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 deitares água a ferver de repente num copo de vidro espesso, este pode rachar; num copo de vidro fino é menos provável. Tendo em conta que a face interior do vidro aquece e dilata-se antes da face exterior, explica por que razão o copo espesso se parte com mais facilidade.

Ao cozer massa, a parte de baixo da tampa da panela enche-se de gotículas de água. Observa a figura.

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

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

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

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

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

Ao sair do duche, o Nico tem frio mesmo que a casa de banho esteja quente.

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

Atas um balão meio cheio e deixas-o junto à janela, onde apanha sol: passado algum tempo está mais cheio. Observa a figura.

1. a) O que acontece ao ar dentro do balão ao aquecer?
2. b) Prevê o que acontecerá se colocares esse balão durante algum tempo no frigorífico.
3. c) Pensando no balão, no álcool do termómetro e numa régua metálica, ordena por ordem decrescente o quanto dilatam com o calor um gás, um líquido e um sólido.

Uma ponte metálica alonga-se $1\ \text{cm}$ por cada grau que a sua temperatura sobe. Observa 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 se alonga a ponte entre esses dois dias?
3. c) As juntas de dilatação da ponte estarão mais abertas no inverno ou no verão? Justifica a resposta.

Uma porca de aço está encravada no respetivo parafuso e o mecânico aquece-a com um maçarico para a desapertar.

1. a) O que acontece à porca ao aquecer?
2. b) Por que razão isso ajuda a desapertá-la?
3. c) Que problema haveria se o parafuso aquecesse tanto como a porca?

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

1. a) Faz uma lista com as cinco etapas do processo, indicando o que existe em cada etapa (gelo, água, vapor ou mistura) e o que acontece à temperatura.
2. b) Em que duas etapas a temperatura não sobe, embora continuemos a fornecer calor? A que temperaturas ocorrem?
3. c) Em que está a ser utilizado o calor durante essas duas etapas?

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

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

Numa base científica da Antártida o termómetro 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 termómetro é útil lá, o de mercúrio ou o de álcool?
2. b) O que acontece ao líquido do outro termómetro, 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, pelo que o gelo é menos denso do que a água líquida.

1. a) Explica por que razão os cubos de gelo flutuam no copo.
2. b) Num lago no inverno, congela primeiro a superfície ou o fundo? Justifica.
3. c) Que vantagem tem isso para os peixes que vivem no lago?

Colocamos uma tina cheia de água no congelador 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 a marcar $0\ ^\circ\text{C}$ enquanto se forma o gelo. O gráfico reúne as medições.

1. a) O teu irmão diz que a água deveria passar de $0\ ^\circ\text{C}$ a $-5\ ^\circ\text{C}$ sem parar. Quem tem razão, ele ou tu? Porquê?
2. b) Enquanto se está a formar o gelo, a água continua a perder 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? Torna-te auditor energético e projeta um isolante térmico caseiro analisando a transferência de calor.

1. Fase 1. Medição base: Deita $150\text{ ml}$ de água quente (a cerca de $50\text{ }^\circ\text{C}$) num copo. Mede a temperatura a cada $4\text{ min}$ durante $16\text{ min}$ com um termómetro caseiro (regista a sua incerteza, por exemplo $\pm 0,5\text{ }^\circ\text{C}$). Consulta no site do IPMA a temperatura atual da tua localidade como referência ambiental.

2. Fase 2. Prototipagem e teste: Escolhe um material do dia a dia (folha de alumínio, lã ou cartão) para forrar o copo. Repete a experiência partindo da mesma temperatura inicial e registando as medições nos mesmos intervalos.

3. Fase 3. Relatório e conclusões: Apresenta uma tabela de dados e elabora um gráfico de temperatura ($T$) em função do tempo ($t$) que compare ambas as curvas. Justifica que material trava melhor o arrefecimento, fundamentando a partir do equilíbrio térmico e da propagação do calor.

Será valorizado:

• Rigor na recolha de dados, indicando a incerteza e integrando a tabela e o gráfico comparativo.

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

• Justificação fundamentada da eficácia do protótipo face às perdas de energia.