DIFERENÇA ENTRE TEMPERATURA E CALOR

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Objetivo

Introduzir os conceitos de calor e temperatura, mostrando a diferença entre ambos.

Contexto

No dia-a-dia estamos constantemente entrando em contato com objetos ou ambientes onde podemos ter a sensação de quente ou frio, percebendo diferentes temperaturas. E é comum usarmos as palavras calor e temperatura sem deixar claro a diferença existente entre as duas. 

Algumas expressões podem até apresentar as palavras com seus conceitos trocados, como no caso da expressão "como está calor hoje!" onde se usa a palavra calor para expressar a temperatura do ambiente. 

A partir disso se deduz que as sensações de quente e frio que temos também não são sensações de calor e sim de temperatura. 

Na verdade, temperatura de um objeto ou meio é a medida de o quanto estão agitados seus átomos e moléculas, enquanto que calor, ou energia térmica, é a quantidade de energia envolvida nessa agitação molecular. 

Para entender melhor, façamos uma analogia com duas piscinas, onde relacionamos o volume de água com calor e o nível da água nas piscinas relacionamos à temperatura. 

Duas piscinas de mesma profundidade e de tamanho diferentes podem ter o mesmo nível de água. 

Porém, obrigatóriamente, terão volumes diferentes de água. 

Podemos concluir que dois objetos com a mesma temperatura podem possuir quantidades diferentes de calor.

Idéia do experimento

A idéia é que para se elevar a temperatura de um objeto até um certo valor é preciso de uma certa quantidade de calor, mas se o objeto tiver o dobro de massa precisará do dobro da quantidade de calor para atingir a mesma temperatura. 

O experimento consiste em colocar para aquecer duas vasilhas com água na mesma temperatura ao mesmo tempo, sendo que uma vasilha possui o dobro da água da outra e o fogo que está aquecendo as duas vasilhas são de mesma intensidade. Enquanto a água está se aquecendo a pessoa coloca um dedo dentro de uma vasilha e outro dedo dentro da outra vasilha, percebendo que onde tem menos água se aquece mais rápido do que onde tem mais. 

Onde tem mais água demorou mais para esquentar porque ambos recebiam a mesma quantidade de calor ao mesmo tempo, pois as duas vasilhas estavam sob fogo de mesma intensidade e um objeto de massa maior precisa de uma quantidade maior de calor para atingir a mesma temperatura que um objeto de massa menor.

Tabela do material

Item	Observações
Duas latinhas de refrigerante	Uma vasilha se encaixará melhor sobre a outra se as duas forem da mesma marca
Duas lamparinas	Ver anexo 1
Água
Estilete
Abridor de latas
Fósforo

Montagem

• Corte duas latinhas bem próximo da borda superior.

• No lugar onde foi cortado faça cortes de cerca de cinco milimetros na vertical e depois dobre as beiras da lata para dentro da lata (para evitar acidentes com a beira da lata cortante ).

• Coloque água em uma vasilha até a metade e encha a outra de água.
• Coloque as vasilhas sobre o suporte e periodicamente ponha um dedo dentro de uma vasilha e outro dentro da outra e sinta a diferença de temperatura entre os dois volumes de água.

Comentários

• Experimente trocar os dedos de vasilha para sentir melhor a diferença de temperatura entre ambas.
• Varie a quantidade de água da vasilha para ver o resultado.
• Regule as chamas das lamparinas, de modo que elas atinjam as vasilhas de modo idêntico.

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Esquema de montagem

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Anexo 1 LAMPARINAS E SUPORTES

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Se você possuir lamparina comum, use-a. Se não tiver, faça esta lamparina a base de vela, que

consideramos ser mais segura que a lamparina comum. 

Tabela do material

Item	Observações
Quatro latinhas de refrigerante	O suporte se encaixará melhor sobre a lamparina se as duas forem da mesma marca.Duas das latinhas devem possuir a argola usada para abrir o furo da lata
Estilete
Abridor de latas

Montagem

• Tire a parte superior das outras duas latinhas com o abridor de latas e as corte ao meio com o estilete.

• Com o estilete tire dos lados da meia lata quatro tiras de cerca de dois centímetros e meio de largura.

• Retire da lateral da latinha um retângulo de quatro centímetros de altura e seis de comprimento.

• No lugar onde foi cortado faça cortes de cerca de cinco milimetros na vertical e depois dobre as beiras da lata para dentro da lata (para evitar acidentes com a beira da lata cortante ).

• Coloque uma vela dentro da latinha, de modo que ela fique apoiada na argola do furo; para ela não cair para dentro da lata conforme for queimando.

• Coloque o suporte sobre a lamparina e acenda a vela.

Comentários

• Conforme a vela for queimando, empure-a para cima. Tenha cuidado para não desgastar-la muito os lados da vela, pois senão a vela não ficará firme na beira da lata..

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Esquema de montagem


Gomes

O que é Inversão térmica:

Inversão térmica é um fenômeno meteorológico típico dos centros urbanos industriais, que ocorre quando uma camada de ar frio, posicionada sobre uma cidade industrial, é repentinamente encoberta por uma camada de ar quente, que a aprisiona.

A inversão térmica costuma acontecer no final da madrugada e no início da manhã, particularmente em dias frios de outono ou de inverno.

Quando duas massas de ar de temperaturas diferentes (uma quente e outra fria) colidem e o ar quente é obrigado a passar sobre o ar frio, ocorre a inversão da situação normal. O ar frio junto à superfície da cidade não é capaz de subir, por ser mais denso, e o ar quente acima dele não pode descer, pois é menos denso.

Causa da inversão térmica

As grandes cidades são justamente os ambientes mais favoráveis para a ocorrência da inversão térmica, pelo fato de apresentarem grande área construída, desmatada e impermeabilizada, que absorvem enorme quantidade de calor durante o dia.

Quando as radiações solares aquecem o solo, o calor retido irradia-se aquecendo, por sua vez, as camadas mais baixas da atmosfera. À noite, no entanto, perdem calor rapidamente. É justamente aí que está a causa da inversão térmica: com a concentração do ar frio nas camadas mais baixas da atmosfera, e do ar quente formando uma capa, não permite que a os gases e a fuligem lançadas pelas fábricas e pelos automóveis, sejam levados pelos ventos.

Quando os ventos conseguem deslocar horizontalmente a camada de ar frio, restabelecendo, portanto, a circulação vertical entre as camadas de ar quente e frio, a inversão térmica se dissipa.

Consequências da inversão térmica

Durante os períodos mais frios, os níveis de poluição do ar nas grandes cidades industriais tendem a serem mais críticos. Nessa época, a escassez de ventos e a baixa umidade atmosférica favorecem a ocorrência da inversão térmica, tornando a qualidade do ar inadequada que acaba intoxicando as pessoas.

Quanto mais próxima do solo ocorrer a inversão térmica, pior, pois os poluentes ficam concentrados mais próximos da superfície. Segundo os especialistas, quando a inversão ocorre a 100 metros de altura torna-se muito perigosa. Os principais efeitos desse fenômeno na saúde da população são as doenças das vias respiratórias, como pneumonia, bronquite, asma, enfisemas, dores de cabeça, coceira na garganta, irritação nos olhos e o agravamento de doenças cardíacas.

Gomes

O que é Calor:

Calor é um conceito do âmbito da Física que representa uma forma de energia, sendo a energia térmica em movimento entre partículas atômicas. A palavra calor também pode remeter para alguma coisa quente, ou seja, com temperatura elevada.

Quanto maior for o calor (energia térmica) aplicada a um objeto ou sistema que esteja em condições isoladas (sem influências externas), maior será a sua temperatura. Quandos dois corpos têm temperaturas diferentes e estão em contato, o calor passa do objeto com maior temperatura para o de menor temperatura, até que seja atingido oequilíbrio térmico.

Apesar de muitas vezes da unidade de medição do calor ser a caloria (cal), de acordo com o Sistema Internacional, o calor é medido em joule (J), em homenagem a James Prescott Joule, físico britânico que descobriu (junto com outros físicos) que a energia mecânica poderia se transformar em calor e vice-versa.

De maneira geral, é comum dizer que está calor quando a temperatura está muito alta (no Verão, por exemplo). No entanto, essa questão pode ser muito subjetiva, porque o que é calor para mim pode não ser para outra pessoa.

Em sentido figurado, a palavra calor pode significar animação ou entusiasmo. Ex: O artista foi abraçado pelo calor do público.

Também pode descrever uma situação em que os ânimos estão exaltados. Ex: No calor do momento, a discussão se transformou em uma briga violenta.

Calor e temperatura

Apesar de muitas vezes serem usados como sinônimos, existe uma diferença entre calor e temperatura, dois conceitos importantes da termologia.

Calor é a energia térmica em movimento, ou seja a energia cinética proveniente da movimentação dos átomos ou moléculas.

Por outro lado, a temperatura é a grandeza física usada para medir a energia cinética em questão. A temperatura associa um número à vibração entre moléculas. A temperatura é o sistema ou escala criada para medir a vibração molecular, ou seja, ao calor.

Calorimetria

A calorimetria é o campo que estuda ou processo usado para medir a quantidade de calor que é absorvida ou libertada durante um fenômeno químico ou físico.

No âmbito da medicina, a calorimetria é usada para medir o metabolismo basal de um determinado organismo, calculando o calor produzido por um determinado indíviduo. A calorimetria também pode ser usada para quantificar as calorias dos alimentos.

Calor específico

A expressão calor específico indica a quantidade de calor que é preciso fornecer a uma determinada substância para que a sua temperatura suba 1 grau centígrado.

Por exemplo: com pressão constante de 1 atm, o calor específico da água é 1,0 cal/gºC, ou seja 1 caloria por grama por grau centígrado.

Calor latente

O calor latente remete para o calor existente em um corpo, que apesar de não alterar a sua temperatura, provoca uma modificação a nível molecular.

Essa modificação molecular pode ser equivalente à passagem do estado sólido para estado líquido ou do estado líquido para o estado gasoso.

Calor sensível

É conhecido como calor sensível o calor (energia térmica) aplicada sobre algum corpo ou substância, que apenas causa uma mudança de temperatura, não ocorrendo a modificação do seu estado (sólido, líquido ou gasoso).

Gomes

O que é Kcal:

Kcal significa quilocaloria. Caloria (cal) é uma unidade de medida de energia e tem sido geralmente utilizada para definir o valor energético dos alimentos. A caloria é uma medida que não pertence ao Sistema Internacional de Unidades (SIU) sendo o Joule a unidade padronizada pelo SIU para medição de energia. Foi definido que 1 caloria é igual a 4,1868 J (joules).

As calorias devem ser representadas por kcal porque 1 kcal = 1000 cal. Portanto, é correto dizer que uma pessoa precisa, por exemplo de 2000 kcal (quilocarias) por dia e não 2000 calorias (que seria 2000 x 1000).

Para garantir a sobrevivência, os seres humanos necessitam ingerir caloria. Todos os alimentos são fontes de energia pois possuem calorias (a quantidade varia de acordo com o alimento).

Para a elaboração de uma dieta alimentar balanceada, os nutricionistas usam como base uma tabela com a quantidade de calorias presentes em cada alimento. Os alimentos gordurosos, como as carnes gordas e outros, são os que mais contêm calorias.

Gomes

O que é BTU:

BTU é a sigla de British Thermal Unit, expressão em inglês que significa Unidade Térmica Britânica. BTU é uma unidade de energia, que mede a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura.

BTU é uma unidade utilizada nos Estados Unidos e no Reino Unido que serve para determinar a potência de refrigeração de vários aparelhos, por exemplo, o ar-condicionado. BTU é uma unidade que não tem medida, porém equivale a algumas outras unidades, como 252,2 calorias e 1 055,05585 joules. Para derreter uma massa de gelo, são necessários 143 BTUs.

Como calcular o BTU

Para calcular o BTU de um aparelho, é necessário saber o número de pessoas que ficarão no ambiente, a área em m², outros aparelhos que possam irradiar calor, como computador, refrigerador, as paredes e vidros, para então saber qual deve ser a potência, em BTU do aparelho.

Gerador Elétrico

Gerador Elétrico

GERADORES ELÉTRICOS

Considera-se gerador elétrico todo dispositivo que transforma energia não-elétrica (química, mecânica etc.) em energia elétrica. É importante salientar que o gerador não gera energia elétrica, apenas transforma em energia elétrica outra forma de energia. Como exemplo, pode-se citar as pilhas comuns, as baterias de carros, geradores eólicos, etc.

A representação de um gerador é feita por duas barras paralelas de tamanhos diferentes onde o traço maior indica um pólo positivo e o menor, o pólo negativo.

Força Eletromotriz (f.e.m.)

A função do gerador é a de manter a d.d.p. entre dois pontos de um circuito elétrico. É essa d.d.p. que permite o movimento ordenado das cargas que constituem a corrente elétrica.

Para transportar uma carga elétrica do menor potencial ao maior potencial, o gerador realiza um trabalho sobre ela.

A razão entre o trabalho realizado pelo gerador e a quantidade de carga elétrica (q), que o percorre num certo intervalo de tempo considerado, é uma característica de cada gerador. Essa razão é denominada “força eletromotriz” do gerador.

A força eletromotriz é uma grandeza homogênea à d.d.p. Por isso, no SI, ela também é medida em volt (V).

Gerador Ideal

Denomina-se gerador ideal, aquele que funcionando normalmente fornece ao circuito externo toda potência elétrica por ele originada.

Assim pode-se escrever: U = E.

Gerador Real

Observa-se, na prática, que geradores ideais não existem. Um gerador em funcionamento não fornece ao circuito externo toda potência elétrica por ele transformada. Estes geradores possuem uma resistência interna que dissipa parte da energia “gerada”.

Neste caso, a d.d.p. fornecida pelo gerador é determinada por:

U = E – r.i

Gerador em curto circuito

Considera-se um gerador em curto circuito quando seus pólos são ligados por um fio condutor sem resistência. Nessas condições a d.d.p. U é nula e a corrente que o atravessa é máxima, denominada corrente de curto circuito (i_cc)

Gráfico U x i

Para o gerador real, ao construir um gráfico U x i, encontra-se uma reta decrescente:

No gráfico identifica-se a maior corrente elétrica possível no gerador como corrente de curto circuito.

O coeficiente angular da reta fornece o valor da resistência interna: r = tg a.

Circuito Simples – Lei de Pouillet

É o circuito onde a corrente possui apenas um caminho a seguir. O circuito mais simples é aquele constituído por um gerador e um resistor.

Observe que a d.d.p. U do gerador é a mesma no resistor, assim, tem-se:

No gerador: U = E – r.i

No resistor: U = R.i

Igualando, tem-se:

R.i = E – r.i

i (R + r) = E

Potências elétrica do gerador

Considerando a equação do gerador real onde E é a f.e.m., o U é a d.d.p. , r sua resistência interna e i a corrente elétrica que o atravessa, tem-se:

U = E – r.i

Como a potência é determinada pelo produto da corrente elétrica e a d.d.p ( P = i.U) pode-se multiplicar todos os termos da equação do gerador por i.

U.i = E.i – r.i²

Cada termo representa uma potência elétrica. Assim, tem-se:

P_U = U.i  > Potência útil.

P_T = E.i > Potência total.

P_D = r.i² > Potência dissipada ou perdida.

Pelo princípio da conservação da energia, pode-se escrever:

P_T = P_U + P_D

Rendimento elétrico do gerador (h)

Chama-se rendimento de um gerador a razão entre a potência útil e a potência total:

ASSOCIAÇÃO DE GERADORES

Série

Observa-se que muitos aparelhos eletrônicos funcionam com mais de uma pilha. Elas podem ser associadas em série ou em paralelo, mas na maioria das vezes são associadas em série.

Seja um conjunto de geradores ligados, um em seguida do outro, de tal forma que sejam percorridos pela mesma corrente.

A força eletromotriz equivalente da associação será dada por:

E_S = E₁ + E₂ + E₃

A resistência interna do gerador equivalente será dada por:

r_S = r₁ + r₂ + r₃

Paralelo (Geradores Iguais)

Considerando apenas geradores iguais associados em paralelo, a força eletromotriz não aumenta, em compensação a resistência interna equivalente é menor que a resistência de cada gerador isoladamente, o que acaba reduzindo as perdas de energia elétrica.

Como E₁ = E₂ = E₃ = E , a f.e.m. equivalente será:

E_P = E

Como r₁ = r₂ = r₃ = r , a resistência interna equivalente será:

onde n é o número de geradores associados.

Potência Elétrica

POTÊNCIA ELÉTRICA

A grandeza física potência, determina a rapidez com que uma máquina realiza trabalho ou consome energia. Assim, pode-se escrever:

Onde:

P – é a potência

E – é a energia consumida

Dt – é o tempo de funcionamento.

Considerando um resistor de resistência R submetido a uma ddp U e percorrido por uma corrente elétrica de intensidade i, sabe-se que a energia consumida pelo resistor é dado por E = q . U, substituindo na relação dada pela potência, tem-se:

Onde, no sistema internacional:

P- é a potência (medida em watt - W)

i - é a corrente (medida em ampère - A)

U – é a ddp ou tensão ( medida em volt – V).

Potência Elétrica em Resistor Ôhmico

Como visto anteriormente, U = R . i. Substituindo, convenientemente, na expressão da potência P = i . U, tem-se:

Energia Elétrica

Para determinar a energia elétrica consumida por um aparelho num intervalo de tempo Dt, pode-se usar a fórmula do cálculo da potência, 

, assim tem-se:

E = P . Dt

É importante observar as unidades de medidas utilizadas no cálculo da energia. Pode-se usar o sistema internacional e o sistema usual:

	Energia	Potência	Tempo
	E	P	Dt
SI	J	W	s
Usual	kWh	kW	h

Unidades de medida

O kWh é usado na cobrança da energia elétrica consumida nas residências pelas companhias fornecedoras de energia elétrica. Observe que:

1 kWh = 3,6 . 10⁶ J

sábado, 9 de junho de 2012

Associações de resistores

Em muitos casos podem-se ligar vários resistores num circuito elétrico que por sua vez podem ser substituídos por apenas um resistor. O resistor que substitui os vários resistores associados, sem que a corrente elétrica do circuito seja alterada, é denominado resistor equivalente.

Associação em série

A associação em série é caracterizada por ter os resistores ligados um em seguida do outro de modo que a corrente em cada um seja a mesma.

Características da associação série

1- Todos os resistores são ligados um em seguida ao outro.

2- A intensidade total da corrente elétrica i é a mesma em todos os resistores:

i = i₁ = i₂ = i₃

3- A tensão total (U), na associação, é igual à soma das tensões em cada resistor.

U = U₁ + U₂ + U₃

4- A resistência equivalente (R_eq) é igual à soma das resistências parciais.

R_eq = R₁ + R₂ + R₃

De fato, se U = U₁ + U₂ + U₃, em que U = R_eq . i 

Assim:

   U    =      U₁    +    U₂    +    U₃  

R_eq . i  =  R₁ . i  +  R₂ . i  +  R₃ . i

como i = i₁ = i₂ = i₃, então:

R_eq = R₁ + R₂ + R₃

Exercício resolvido

Dois resistores são associados em série conforme o esquema a seguir.

Determine:

a) a resistência equivalente da associação

b) a intensidade da corrente elétrica em cada resistor;

c) a tensão elétrica em cada resistor.

Resolução

a) Como a associação dos resistores é em série, tem-se:

R_eq = R₁ + R₂

R_eq = 2 + 3

R_eq = 5 W

b) A corrente elétrica total que percorre os resistores é dada por:

U = R_eq . i

20 = 5 . i

i = 4 A

c) No resistor R₁ tem-se:

U₁ = R₁ . i₁

U₁ = 2 . 4

U₁ = 8 V

No resistor R₂ tem-se:

U₂ = R₂ . i₂

U₂ = 3 . 4

U₂ = 12 V

Associação em paralelo

A associação em paralelo é caracterizada por ter os resistores ligados pelos seus terminais, em que, todos possuem uma extremidade ligada em A e a outra extremidade ligada em B.

Características da associação série

1- Os resistores são associados pelos seus terminais.

2- A tensão total U de toda a associação (entre A e B) é a mesma para todos os resistores:

U = U₁ = U₂ = U₃

3- A corrente total i é a soma das correntes parciais:

i = i₁ + i₂ + i₃

4- O inverso da resistência equivalente (R_eq) é igual à soma dos inversos das resistências parciais.

De fato, se i = i₁ + i₂ + i₃, em que i = U/R

Caso particular:

Para dois resistores em paralelo:

Para n resistores iguais:

Exercícios resolvidos

1. Qual a resistência equivalente da associação a seguir?

1º. Processo:

2º. Processo

R₁ com R₂

2. Dois resistores são associados em série conforme o esquema a seguir.

Determine:

a) a resistência equivalente da associação;

b) a intensidade da corrente elétrica em cada resistor;

c) a intensidade da corrente elétrica total.

Resolução

a) Como a associação dos resistores é em paralelo, tem-se:

b) A tensão elétrica em cada resistor é igual à tensão elétrica total de 12 V.

No resistor R₁:

U₁ = R₁ . i₁

12 = 2 . i₁

i₁ = 6 A

No resistor R₂ :

U₂ = R₂ . i₂

12 = 3 . i₂

i₂ = 4 A

No resistor R₃ :

U₃ = R₃ . i₃

12 = 6 . i₃

i₃ = 2 A

c) A intensidade da corrente elétrica total é igual a soma das correntes elétricas parciais:

i = i₁ + i₂ + i₃

i = 6 + 4 + 2

i = 12 A

Associação Mista

Quando os resistores são associados em série e em paralelo num mesmo circuito, denomina-se associação mista de resistores.

Para chegar ao resistor equivalente, deve-se resolver as associações por partes. Para isso vai-se substituindo cada associação parcial (série ou paralelo), por um único resistor reduzindo aos poucos o esquema da associação.

Exercícios resolvidos

Nos casos abaixo, calcule a resistência equivalente entre os pontos A e B.

a)

Existem casos nos quais os circuitos são mais complexos e é difícil observar as associações existentes e determinar o resistor equivalente. O melhor a fazer é refazer o circuito.

Procede-se da seguinte forma:

1º. – Marcar com uma letra diferente, cada um dos nós da associação (nó – encontro de 3 ou mais fios), lembrando que os pontos unidos por fio ideal estão em curto circuito e devem receber a mesma letra.

2º. – Refazer o circuito, iniciando pelo maior caminho encontrado desde o ponto inicial até o ponto final.

Exemplo:

1.

Marcam-se os nós e colocando letras nos mesmos:

Refaz-se o circuito:

Resolve a associação em paralelo entre A e C:

Resolve a associação em série no ramo ACB:

Resolve a associação em paralelo:

Resistor equivalente:

Curto circuito (CC)

Verifica-se que ao associar resistores em paralelo, a corrente elétrica é mais intensa no ramo de menor resistência.

Ao associar em paralelo um fio sem resistência, observa-se que toda corrente do circuito passará por este ramo enquanto que os outros resistores não serão percorridos por corrente elétrica. Neste caso, diz-se que os resistores estão em curto circuito e não funcionam.

Isto ocorre, pois com a ligação do condutor de resistência desprezível, os potenciais elétricos dos pontos A e B passam a ser iguais, então U_AB = 0.

Assim, o circuito se comporta como se os resistores não existissem.

Exercícios resolvidos

1. Determine, entre os pontos P e Q, a resistência equivalente da associação.

Marcam-se os nós e colocam-se letras nos mesmos.

O ramo sinalizado, está em curto circuito pois possui as extremidades com a mesma letra. Então, pode-se cancelá-los.

Gomes