terça-feira, 15 de setembro de 2009

gabarito da revista volume 2 - 2ª serie

GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 1
O EQUIVALENTE MECÂNICO DO CALOR
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
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1. Se tudo correr bem, após as cem vezes que o tubo girou, a temperatura final dos
chumbinhos deverá se elevar bastante e, muitas vezes, será possível chegar a um
valor razoável para o equivalente mecânico (4,18J/cal). Contudo, caso não seja
possível aproximar-se desse valor, é interessante trabalhar com os alunos eventuais
fontes de problemas, principalmente as relacionadas às trocas de calor. Neste caso,
discuta sobre a vedação feita, o material do tubo, a forma de medir a temperatura etc.
Peça para que eles proponham melhorias para aumentar a precisão da medida.
2. Espera-se que os alunos identifiquem e expliquem, neste processo, as transformações
de energia potencial gravitacional dos chumbinhos em energia cinética quando estes
caem através da extensão do tubo. Ao colidirem com a tampa do tubo, essa energia é
convertida em energia de vibração das moléculas, manifestando então um aumento
na temperatura. Tal fato corrobora para a compreensão do conceito de calor como
energia que transita de um corpo para outro Neste caso, a energia vinda dos músculos
do corpo que faz com que o tubo gire e ganhe energia mecânica.
Neste instante, tem-se um momento oportuno para discutir ou rediscutir o princípio
da conservação da energia.
3. Quanto maior o número de vezes que o cano girar, maior será a energia potencial
gravitacional transformada em energia térmica cedida aos chumbinhos. Há
necessidade de se girar tantas vezes para que o aumento da temperatura dos
chumbinhos seja significativa.
4. Como já dito anteriormente, neste processo ocorre uma transformação de energia
potencial gravitacional (mecânica), devido à queda dos chumbinhos, em energia
cinética representada pelo movimento dos mesmos na extensão do cano. Após a
colisão nas extremidades do tubo, parte dessa energia é transformada em energia
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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térmica manifestada com o aumento da temperatura. Ao final do processo, podemos
resumir dizendo que houve transformação de energia mecânica em energia térmica.
5. Quando se conhece o calor específico do material e sua massa, a quantidade de calor
produzido durante o impacto pode ser determinada pela mudança na temperatura por
meio da relação Q = m.c.Δt. Se considerarmos que toda a energia potencial (m.g.h) é
transformada em calor (hipótese a ser levantada), pode-se determinar a relação entre
trabalho e calor, chegando ao valor chamado de equivalente mecânico do calor.
Assim, considerando o calor específico do chumbinho igual a 0,031cal/g.ºC, tente
chegar a este valor, já que possui a massa do chumbinho, a variação de temperatura e
a altura h do tubo.
Atente aos possíveis fatores que implicam na precisão dos cálculos, principalmente
quanto a garantir que toda a energia potencial seja convertida em calor. Trabalhe
com os alunos a possibilidade de aperfeiçoar os experimentos a fim de obter dados
cada vez mais seguros.
Utilizando o calor específico em cal/g.ºC, a massa em gramas e a temperatura em ºC,
o resultado do cálculo vai ser obtido em calorias (cal). A energia mecânica (energia
potencial gravitacional) a ser convertida em calor é dada pela relação Ep= m.g.h.
Com a massa dada em Kg, a aceleração da gravidade (g) em m/s2 e a altura h em
metros (m), obtemos o valor de Ep em Joules (J).
6. A quantidade de calor trocado (cal) pode ser obtida por meio da relação Q = m.c. Δt,
em que m será a massa dos chumbinhos (em gramas), c o calor específico dos
chumbinhos (0,031cal/g.ºC) e Δt a variação de temperatura medida no termômetro
(em ºC). Assim, Q será dado em calorias (cal).
Dessa forma, podemos estabelecer a relação entre calorias e Joules, ou seja, Ep (J) =
Q (cal).
Discuta com os alunos sobre as hipóteses que estão sendo consideradas para se
chegar à equivalência destas duas expressões, ou seja, estamos admitindo que toda a
energia mecânica (potencial gravitacional) é convertida integralmente em energia
térmica capaz de aumentar a temperatura dos chumbinhos.
7. Na questão anterior, apenas foi obtida a relação entre energia mecânica e energia
térmica. Aqui, espera-se que os alunos de fato igualem as expressões Ep (J) = Q (cal)
obtendo o equivalente mecânico do calor.
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Para os cálculos deverá ser levado em consideração o número de vezes que os
chumbinhos caíram da altura h ao longo do tubo. Dessa forma, a expressão final fica:
Ep = Q
n.(m.g.h) = m.c. Δt
Onde n representa o número de vezes que os chumbinhos se chocaram com as
extremidades do tubo ao percorrer a altura h.
Aprendendo a Aprender
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1. Espera-se que os alunos possam estender a situação trabalhada e descrita
anteriormente com outras situações práticas e cotidianas em que acontecem
transformações de energia semelhantes.
Dessa maneira, pode ser citado, por exemplo, o aquecimento dos pneus de um ônibus
devido ao atrito entre a borracha e o asfalto, fato que pode ser percebido quando se
encosta a mão no pneu quando o ônibus está parado no ponto. Neste caso, parte da
energia mecânica é transformada em calor.
O aquecimento das peças de uma máquina elétrica, devido ao atrito entre elas, é
outro exemplo. Aqui, pode-se aproveitar para discutir a respeito da utilização de
óleos e graxas utilizadas nessas máquinas a fim de diminuir o atrito e o aquecimento
das peças.
2. De forma análoga a situação dos chumbinhos, a energia, neste caso, veio da pessoa,
ou seja, a pessoa transmite energia para o martelo na forma de energia potencial e
cinética (o martelo é erguido para depois ser golpeado contra o prego). Ao bater no
prego, parte dessa energia é transmitida na forma de energia cinética (o prego se
move, conseguindo penetrar na madeira), e parte na forma de calor, daí o
aquecimento. Parte dessa energia ainda se transforma em energia sonora (barulho da
martelada).
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Curiosidade!
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1. O objeto suspenso tem energia potencial gravitacional. Quando abandonado, essa
energia potencial gravitacional se transforma em energia cinética. Uma parte dessa
energia é usada para mover as pás (energia cinética das pás). A água, ao ser agitada
pelas pás, ganha energia cinética, isso faz com que aumente sua energia térmica e,
consequentemente, sua temperatura.
2. Para que o termômetro marque uma temperatura maior, o recipiente com água deve
ser isolado termicamente de maneira que a energia térmica gerada seja menos
dissipada para o ambiente.
3.
a) Supondo que o sistema seja conservativo, isto é, que toda a energia potencial do
objeto seja integralmente transferida para a água e usada para elevar sua temperatura,
temos:
ΔEp = 25 . m g h = 25 . 6 . 9,8 . 2 = 2 940 J
b) A água recebeu 2 940 J. Considerando que 1 cal = 4,18 J, neste caso, os 2940 J
correspondem aproximadamente a 703 cal.
4. Novamente, essa é outra questão com o intuito de o aluno relacionar uma situação já
abordada, com outra (realizada por James Joule 1840), onde foi medido o
equivalente mecânico do calor.
A semelhança entre os dois experimentos é que ao invés do corpo cair e aquecer a
água, como na experiência de Joule, os chumbinhos ao caírem dentro do tubo batem
nas extremidades do mesmo e se aquecem. No caso da experiência de Joule há um
maior número de transformações de energia, já no caso dos chumbinhos é somente a
energia potencial que se transforma em energia cinética. Quando ocorre o choque na
extremidade do tubo, é gerado aquecimento.
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LIÇÃO DE CASA
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1.
a) Ela deverá aumentar, pois parte da energia cinética se transforma em energia
térmica (calor) na colisão com a parede de aço.
b) Dados:
m= 0,01 kg
v = 400 m/s
A energia cinética da bala antes do choque é:
Ec = m.v ²/2 ou seja: Ec = (0,01. 4002) /2
Ec = 800 J, como 1 cal = 4,2 J, temos: Ec = 190,5 cal
c) Considerando que a energia cinética será totalmente usada no aquecimento do
projétil, teremos:
Q = m.c. Δt = 10 . 0,031. (t – 25)
190,5 = 0,31. (t – 25)
(t – 25) = 614,5
t = 639,5 º
Analise e discuta com seus alunos se essa temperatura seria mesmo alcançada.
Lembre-se que o chumbo se funde a 327, 4º C.
2.
M = 200 g (de água) e cágua = 1 cal/g º C
h = 0,5 m
to
= 25 ºC
tf = 100 ºC
Considerando que toda a energia potencial da queda seja usada no aquecimento da
água, a quantidade de energia necessária para aquecer a água até ferver será:
Q = m.c. Δt = 200 . 1. (100-25) = 15.000 cal
Se 1 cal = 4,2 J, teremos:
Q = 63.000 J
A energia potencial de uma “queda” dentro da garrafa será:
Ep = m.g.h = 0,2 Kg .10. 0,5 = 1 J
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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Se uma queda fornece 1 J, para conseguir 63 000 J, serão necessárias:
63 000 / 1 = 63 000 quedas.
Leitura e Análise de Texto
Página 10
Professor, o objetivo principal deste texto é o de possibilitar ser um momento ou
mesmo uma oportunidade de trazer uma situação interessante que permita fazer com
que os alunos possam perceber a evolução das ideias e conceitos a respeito da natureza
do calor. Isso poderá contribuir significativamente para desmistificar a ciência como
algo pronto e acabado, apenas revelado a gênios. Assim, procure mostrar, dentro do
possível, que foram necessários vários séculos para que o calor fosse tratado
cientificamente como vibração, de modo que a compreensão da natureza do calor e da
temperatura, bem como a construção de teorias e modelos para esses conceitos, fazem
parte de um momento rico na história da ciência.
No caso de optar ou ser de interesse de parte dos alunos a respeito do assunto, você
poderá obter mais informações no caderno do professor relativo a esta situação de
aprendizagem.
1. Rumford se questionava a respeito de onde vem o calor produzido no aquecimento
do metal quando perfurava blocos de ferro durante a fabricação de canhões.
2. No século XVIII, o calor já era um velho conhecido do pensamento científico. Nessa
época, contudo, imaginava-se que o calor fosse uma substância, um fluido chamado
de calórico. Assim, ao colocar em contato dois corpos com temperaturas diferentes,
pensava-se que essa substância fluísse de um corpo para outro, explicando, assim,
por que o mais quente se resfria enquanto o mais frio se aquece.
A discordância do modelo do calórico, de acordo com o texto, se deu a partir dos
questionamentos que Rumford fez a respeito da origem do calor. Ele verificou que o
calor não poderia ser um fluido material, pois, mesmo com a grande intensidade de
calor produzido pelo atrito, eles não sofriam nenhuma perda de massa que, neste
caso, seriam arrancadas da massa sólida que foi atritada.
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Depois, verificou que nem mesmo o ar poderia ser fonte do calor produzido. Isso
pode ser verificado no 6º parágrafo do texto quando ele questiona: “ Foi fornecido
pelo ar? Este não poderia ter sido o caso, pois nos experimentos feitos com o
maquinário imersa em água, o acesso do ar proveniente da atmosfera fora
completamente vedado” . A seguir, no parágrafo 7º, ele questiona a origem do calor
como sendo possivelmente originário da massa de água que envolve o maquinário:
“(...) primeiro, porque a água recebia continuamente o calor do maquinário e não
poderia, ao mesmo tempo, estar dando e recebendo calor do mesmo corpo; e, em
segundo lugar, porque não houve nenhuma decomposição química de nenhuma parte
dessa água.”
Ao final ele conclui: “Desnecessário acrescentar que algo que todo corpo, ou sistema
de corpos isolados termicamente, é capaz de continuar a fornecer sem limitações não
pode ser uma substância material (...)”, a não ser, movimento.
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 2
A MÁQUINA DE HERON
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
Roteiro 2 – A Máquina de Heron
1. Espera-se que os alunos façam algumas hipóteses e formulem explicações sobre o
que observaram. É importante que percebam que o que faz a lâmpada girar é a
expansão do vapor de água após entrar em ebulição.
2. Quando a água entra em ebulição, o vapor de água sai com uma grande pressão e,
devido à disposição dos tubos, há o aparecimento de um torque que faz a máquina
girar.
3. A partir dos conceitos abordados na situação de aprendizagem anterior, espera-se que
os alunos possam relacionar a transformação de energia térmica (calor) em energia
mecânica (energia cinética) devido à rotação do bulbo da lâmpada.
4. Após a discussão a respeito do surgimento do movimento do bulbo da lâmpada
quando o vapor de água se expande, é importante que o conceito e a definição de
trabalho sejam aqui retomados.
Neste caso, consideramos como máquina (no caso, máquina térmica) todo
equipamento capaz de transformar energia térmica em trabalho útil.
O intuito da atividade foi apenas de apresentar a possibilidade de se utilizar a
expansão de um gás para movimentar algo. Ainda que lúdica e ilustrativa, parece que
a máquina de Heron não foi criada para ser nada além de uma curiosidade.
Para aproveitar a máquina de Heron é necessário aproveitar o movimento da esfera,
veja a figura da página 13. Uma forma de se fazer isso é usando-a para retirar água
de um poço. Para isso, seria necessário se prender uma corda na esfera que, ao ser
puxada, se enrolaria na esfera conforme esta girasse.
Outra possibilidade seria prender a esfera a um eixo que girasse solidário a ela, preso
a rodas. Assim, seria possível construir um “carro a vapor”. Esses exemplos são
apenas algumas possibilidades imagináveis.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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5. Oriente os alunos para que registrem todas as suas observações sobre o que
aconteceu no experimento, mesmo aquelas observações aparentemente mais óbvias.
Espera-se que os alunos possam associar a consequência do giro do bulbo da
lâmpada como sendo devido a transformação da energia térmica em trabalho útil.
A partir do conceito de trabalho, espera-se que os alunos possam ser capazes de
relatar quem realiza trabalho: o fogo, o vapor? O que esse trabalho produz? Quais as
variáveis importantes para se obter o valor do trabalho, ou seja, a que se relaciona?
São esses os elementos principais que se espera aparecer no relatório.
Aprendendo a Aprender
Página 16
A fonte de calor, ao fornecer energia térmica ao gás que está confinado, faz com que
a pressão no interior do cilindro aumente, possibilitando que o gás se expanda e realize
trabalho. Assim, com o movimento do pistão para cima, há uma variação do volume
que, neste caso, dizemos que o gás realizou trabalho devido à expansão.
Manifestações térmicas da energia
Página 17
Assim como o êmbolo da seringa sobe quando calor é fornecido pela água quente ao
gás no interior da seringa, de forma análoga, o mesmo acontece com o leite ao ser
fervido. Tanto no caso da seringa com água quanto no caso do leite ocorre o mesmo
fenômeno. Na seringa, a calor da água aumenta o agito das moléculas e,
consequentemente, a pressão no interior do tubo. Já com o leite, a fonte de calor (fogo)
ao agitar as moléculas provoca a expansão do líquido. Há uma força distribuída ao
longo de toda a superfície do leite, que é justamente a ideia de pressão, que pode ser
assim relacionada: P = F/A, em que F= força e A = área. Como na verdade houve
também um aumento do volume do leite, que é obtido ao se multiplicar o deslocamento
pela área (ΔV= Δd . A), pode-se escrever o trabalho como o produto da pressão pela
variação do volume (W = P. ΔV).
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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VOCÊ APRENDEU?
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1. Neste caso, a energia química (queima) do combustível é transferida para a água na
forma de energia térmica. O vapor sai produzindo um torque capaz de mover a
esfera.
2. Na verdade, essa questão já pode ter sido respondida anteriormente, na questão 4 da
atividade inicial do bulbo da lâmpada que gira. Entretanto, aqui pode ser que os
conceitos estejam mais formalizados e um pouco mais sólidos na concepção dos
alunos. Por isso, vale a pena retomar e rediscutir a questão, principalmente no caso
de os alunos terem tido dificuldades anteriormente ou mesmo não terem respondido
claramente.
• Observação: ver resolução proposta na questão 4 da atividade que guia esta
situação de aprendizagem.
3. Tal como já foi discutido na questão anterior, pode-se usar tal dispositivo como
máquina. Para isso, bastaria aquecer o recipiente, pois aí o gás se expande e empurra
o pistão para cima, realizando trabalho.
LIÇÃO DE CASA
Página 19
1. Solicite aos alunos que façam uma breve pesquisa a respeito das máquinas térmicas.
O objetivo consiste em fazer com que eles possam levantar eventuais curiosidades,
conhecer um pouco da história das maquinas térmicas, assunto que geralmente não é
abordado durante as aulas.
2. Ele se referia aos trens a vapor que surgiram neste período. As mudanças que
aconteceram nessa época fazem parte da chamada Revolução Industrial, período em
que as máquinas a vapor deram início a novas relações sociais e de trabalho.
Vale ressaltar que o assunto é aprofundado na próxima situação de aprendizagem.
3. Neste caso, o trabalho pode ser calculado pela expressão
W = P. Δ V = 1,0. 105. 0,03. 0,50 = 1,5 x 103 N.m
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Se esse trabalho for usado para levantar o objeto, podemos escrever que:
W = m.g.h
1,5 x 103 = m. 10 . 0,5
m = 300 kg
Dessa forma, esse pistão consegue erguer um corpo de 300 kg a uma altura de 50 cm
do chão.
PESQUISA INDIVIDUAL
Página 20
1. O objetivo principal da leitura é proporcionar que o aluno possa conhecer e
compreender a evolução das máquinas térmicas, principalmente a partir do século
XVIII. A leitura deverá fazer com que os alunos possam perceber e relacionar, por
exemplo, que a falta dos refrigeradores e motores dos carros fizeram, durante muito
tempo, com que o armazenamento e transporte dos alimentos fossem dificultados,
sendo feito por escravos. Até então, não podiam sequer imaginar uma máquina
realizando um trabalho para o homem. A partir do surgimento das máquinas a vapor,
profundas alterações marcaram principalmente o processo produtivo da sociedade.
Como exemplo podemos citar a introdução da mão de obra assalariada, o
deslocamento dessa mão de obra, antes essencialmente concentrada nos campos para
os centros urbanos e as indústrias nascentes, dentre outras mudanças.
2. No final do século XVII as florestas da Inglaterra já tinham sido praticamente
destruídas e sua madeira utilizada como combustível. A necessidade de se usar o
carvão de pedra como substituto da madeira levou os ingleses a desenvolverem a
atividade da mineração.
Um problema que surgiu com as escavações cada vez mais profundas foi o de
acúmulo de água no fundo das minas, o que poderia ser resolvido com a ajuda de
máquinas.
Uma máquina foi desenvolvida para acionar as bombas que retiravam água do
subsolo de cerca de 30 m, elevando-a até a superfície, pois as bombas antigas só
elevavam a água até 10,33 m.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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A partir das “bombas de fogo”, como eram chamadas, surgiram e foram
aperfeiçoadas outras máquinas térmicas, dentre elas os motores a explosão e os
refrigeradores. Podemos dizer que a revolução industrial ocorreu diretamente das
construções das “bombas de fogo” dando início a profundas mudanças no setor
industrial e produtivo nas sociedades.
Assim como já abordado anteriormente, as máquinas térmicas, em geral, têm seu
princípio de funcionamento baseado nas transformações da energia térmica em
energia mecânica (energia de movimento).
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 3
REVOLUÇÃO INDUSTRIAL E AS MÁQUINAS TÉRMICAS
Aprendendo a Aprender
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O objetivo principal da elaboração do texto é fazer com que os alunos consigam
organizar e sintetizar os resultados de suas pesquisas feitas anteriormente. Apesar de as
informações solicitadas serem relativamente de fácil acesso por meio de sites (inclusive
os sugeridos na seção “Para Saber Mais”) e livros, o importante é fazer com que os
alunos consigam descrevê-las de forma sucinta e organizada, além de perceber as
influências econômicas e sociais advindas com as máquinas térmicas.
Neste texto dissertativo, poderão aparecer diversas informações distintas.
Entretanto, espera-se que os alunos foquem o texto destacando principalmente as
consequências do processo de industrialização impulsionadas pela invenção das
máquinas térmicas.
Neste sentido, os alunos podem começar o texto abordando, por exemplo, a
respeito da substituição das ferramentas pelas máquinas, da energia humana pela
energia motriz e do modo de produção doméstico pelo sistema fabril que constituiu a
Revolução Industrial. O nome revolução se deu em função do enorme impacto sobre a
estrutura social e econômica da sociedade, num processo de transformação
acompanhado por uma grande evolução tecnológica.
A partir da invenção das máquinas térmicas, como as primeiras máquinas a
vapor, ocorreu uma grande revolução produtiva. Com a aplicação da força motriz às
máquinas fabris, a mecanização se difunde principalmente na indústria têxtil e na
mineração. As fábricas passam a produzir em série e surge a indústria pesada (aço e
máquinas). A invenção dos navios e das locomotivas a vapor acelera a circulação das
mercadorias e dos produtos.
A revolução industrial do século XVIII acontece inicialmente na Inglaterra. O
pioneirismo inglês se deve a vários fatores, como o acúmulo de capitais e grandes
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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reservas de carvão. Com seu poderio naval, abre mercados na África, Índia e nas
Américas para exportar produtos industrializados e importar matérias-primas. Sua
localização, na parte ocidental da Europa, facilita o acesso às mais importante rotas de
comércio internacional, o que permitiu conquistar novos mercados. Além disso, o país
possuía muitos portos e intenso comércio costeiro.
O novo sistema industrial transformou as relações sociais e criou duas novas
classes sociais, fundamentais para a operação do sistema. Os empresários (capitalistas),
proprietários dos capitais, prédios, máquinas, matérias-primas e bens produzidos pelo
trabalho e os operários, proletários ou trabalhadores assalariados, apenas com sua força
de trabalho que a vendem aos empresários para produzir mercadorias em troca de
salários.
VOCÊ APRENDEU?
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1. As primeiras máquinas do século XVIII apresentavam baixo rendimento, ou seja,
consumiam grande quantidade de combustível e realizavam pouco trabalho. Foi por
volta de 1770 que o inventor escocês James Watt apresentou um modelo de máquina
que substituiu as que até então existiam, pois era mais eficiente e apresentava
enormes vantagens.
A máquina proposta por Watt foi empregada inicialmente nos moinhos e no
acionamento de bombas d’água, mas posteriormente passou a ser empregada nas
locomotivas e nos barcos a vapor. Ela ainda passou a ser muito utilizada nas fábricas
como meio para acionar dispositivos industriais. Esse foi um dos fatores que
motivaram a Revolução Industrial.
2. Esta pergunta é muito aberta, ou seja, poderá haver vários tipos de respostas.
Entretanto, é importante informar que os alunos deverão descrever de forma
resumida a respeito das causas dessas mudanças. Peçam que descrevam duas ou três
mudanças apenas, para que sobre espaço para posteriormente explicarem.
Por exemplo, suponha que um dos alunos tenha escrito que houve uma mudança na
economia e nas relações de trabalho. Neste caso, é importante que ele perceba e
descreva o porquê dessas mudanças. Isso pode ser feito da seguinte forma:
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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Houve uma grande mudança na economia e nas relações de trabalho, pois a partir da
invenção das máquinas térmicas, a mecanização se difundiu nas indústrias em geral.
Dessa forma, as fábricas passam a produzir em série e surge a indústria pesada (aço e
máquinas). A invenção dos navios e das locomotivas a vapor acelera a circulação das
mercadorias e dos produtos, ampliando o comércio e a oferta de emprego.
Com o novo sistema industrial há uma transformação das relações sociais com a
criação de duas novas classes sociais, fundamentais para a operação do sistema. Os
empresários (capitalistas), proprietários dos capitais, e os operários, trabalhadores
assalariados.
3. Para responder esta questão, sugira aos alunos uma leitura no texto do GREF por
meio do site . Ele poderá fornecer bons subsídios para a
resposta dos alunos.
Espera-se que os alunos descrevam a respeito das máquinas a vapor de Thomas
Newcomen e a mais conhecida, a de James Watt.
Com a intensificação do comércio, devido ao crescimento industrial a partir da
invenção das máquinas térmicas, houve uma necessidade de produção em larga
escala de diferentes produtos e materiais, principalmente tecidos e carvão, gerando
uma grande motivação para o aperfeiçoamento das máquinas a vapor. Neste
contexto, surgem as máquinas a vapor de Thomas Newcomen e a do inventor James
Watt. Os aperfeiçoamentos dessas máquinas geraram um aumento na produtividade
e, principalmente, uma diversificação no seu uso, como a elevação de pesos e a
geração de movimento contínuo e não apenas o bombeamento de água. No século
XVIII, a partir das máquinas de Newcomen e Watt, elas foram também utilizadas nos
transportes. Isso fez surgir a locomotiva e os pequenos carros, ambos movidos a
vapor. A aplicação das máquinas transformaram, assim, toda a civilização ocidental e
impulsionaram ainda mais a industrialização da Inglaterra.
4.
a) Provavelmente, as máquinas térmicas mais citadas pelos alunos deverão ser os
motores dos carros, os refrigerados, e as locomotivas ou trens a vapor. Assuntos a
serem estudos nas próximas situações de aprendizagem.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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b) Aqui, espera-se que os alunos possam fazer uma reflexão da importância que a
existência dessas máquinas exercem não apenas no transporte das pessoas e em nossa
vida pessoal, mas também nas relações produtivas, culturais e sociais que nos afetam.
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 4
ENTREVISTA COM UM MECÂNICO
PESQUISA DE CAMPO
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Peça aos alunos que relatem como foi a entrevista e que explicitem as dúvidas que
surgiram a partir da conversa com o técnico. Reúna o máximo de informações que
relatarão a fim de subsidiar a formalização dos conceitos posteriormente. Incentive-os a
explicar com suas palavras como funciona um motor. Anote na lousa o que mais chamar
sua atenção para posteriormente ser trabalhado quando for aprofundado esse estudo.
Retomando o que foi relatado nas entrevistas com o mecânico, inicialmente é
interessante discutir como o motor consegue dar movimento ao carro. Para isso, na
oficina, ao verem um motor real, os alunos poderão entender as funções de cada parte
do motor. Assim, deverão constatar que este é constituído de um bloco de ferro ou
alumínio que possui câmaras de combustão. Nelas, ficam os cilindros, nos quais se
movem os pistões. Cada pistão tem um virabrequim ligado a ele por meio de uma biela,
peça capaz de transformar o movimento de vai-vem do pistão em rotação do
virabrequim. É justamente o virabrequim que, ao girar, transmite o movimento às rodas
do carro. Entender minimamente o papel de cada uma dessas peças é imprescindível
para a compreensão do que ocorre no momento da descrição de seu funcionamento.
Aprendendo a Aprender
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• O gráfico da P x V deve ser feito pelo professor na lousa. Sua intenção é
sintetizar e sistematizar as transformações termodinâmicas envolvidas nas etapas do
ciclo da turbina a vapor.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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• Assim como no ciclo da turbina a vapor, o gráfico P x V deve também ser feito
pelo professor na lousa. Sua intenção é sintetizar e sistematizar as transformações
termodinâmicas envolvidas nas etapas do ciclo do motor a quatro tempos.
• Aqui pode ser um dos momentos para a formalização do primeiro princípio da
termodinâmica. Para isso, sugerimos que use o apoio do livro didático de sua
preferência.
Da mesma forma que o motor de um carro, a turbina a vapor é uma máquina que
transforma energia interna do combustível em energia mecânica. Numa caldeira, por
meio da queima do combustível, ferve-se uma substância de operação, em geral a
água. Nesse processo, há uma mudança de estado de líquido para vapor e vice-versa.
O vapor sai da caldeira a alta pressão e é conduzido de forma a fazer girar as pás de
uma turbina, diminuindo a pressão e a temperatura desse vapor. Essa rotação ocorre
devido ao vapor transferir parte de sua energia cinética para as pás da turbina.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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Ao passar pelas pás, ainda que o vapor sofra uma queda em sua pressão e
temperatura, ele ainda sai da turbina como vapor a baixa pressão, o que exigiria
muito trabalho para conduzi-lo de volta à caldeira. Por isso, a necessidade de um
condensador. Assim, o vapor passa por uma serpentina trocando calor com o meio
externo (geralmente água), sendo então condensado. No estado líquido, ele pode ser
mais facilmente bombeado como água quente de volta à caldeira reiniciando, dessa
forma, um novo ciclo.
Faça agora o paralelo da máquina a vapor com o motor a combustão, trabalhando
principalmente a descrição dos quatro tempos de um motor a gasolina.
I – Devido ao giro do virabrequim, o pistão baixa no cilindro, abrindo a válvula
de admissão e injetando para dentro a mistura de gasolina e ar.
II – O pistão agora sobe, comprimindo a mistura.
III – Quando a compressão tem seu valor máximo, uma centelha elétrica
produzida pela vela de ignição promove a explosão instantânea, fazendo
com que os gases quentes se expandam, jogando o pistão para baixo e
produzindo trabalho.
IV – O pistão sobe descomprimindo os gases, a válvula de escape abre-se de
modo que os gases provenientes da queima são expelidos para o meio ambiente.
• Observação: é preciso ressaltar que esses diagramas é a representação teórica de
um ciclo real, uma idealização, já que, durante o funcionamento de um cilindro, os
processos não ocorrem de forma perfeita. Assim, no ciclo do motor a quatro tempos,
por exemplo, no trecho AB, em que se tem representado um processo isobárico, na
realidade há sim uma queda de pressão. Isso ocorre devido à velocidade de expansão
da mistura não acompanhar perfeitamente o movimento do pistão, acarretando queda
de pressão. Da mesma forma, no trecho BA, a expulsão do gás também não chega a
ser isobárica, pois o pistão não tem velocidade suficiente para acompanhar a saída do
gás. Entretanto, ainda assim, esse diagrama é útil para a compreensão do
funcionamento de um motor. É um momento oportuno para se discutir a idealização
de modelos, revelando sua importância no processo de construção da ciência.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
20
VOCÊ APRENDEU?
Página 29
1. O impulso necessário para o início do ciclo é efetuado pelo motor de arranque. Um
pequeno motor elétrico alimentado pela bateria do carro, que dá início ao giro do
virabrequim.
Nos primeiros veículos este “impulso” era efetuado mecanicamente, através de uma
manivela encaixada no eixo do virabrequim; processo semelhante é usado ainda hoje
em muitas motocicletas, nas quais se aciona um pedal para dar a partida do motor.
2. O acelerador do carro está articulado com o carburador ou com a injeção eletrônica
de combustível, dispositivo que controla a quantidade de combustível que é admitida
na câmara de combustão. O carburador, ou a injeção, tem a função de misturar o ar
com o vapor do combustível na proporção de 12 a 15 partes de ar para 1 de
combustível (por unidade de massa) e controlar a quantidade desta mistura, através
de uma válvula que se abre quando o pedal do acelerador é pressionado ou solto,
liberando maior ou menor quantidade da mistura combustível.
3. Após a descrição do motor de 4 tempos, é bastante simples falar sobre os de 2
tempos, visto que suas semelhanças e diferenças são poucas. A diferença
fundamental encontra-se no fato de a aspiração e a compressão da mistura do
combustível ocorrerem enquanto o pistão sobe (primeiro tempo), e a explosão e a
exaustão ocorrem enquanto o pistão desce (segundo tempo). Esse motor é muito
utilizado em motocicletas, cortadores de grama, motosserras, dentre outros.
4. Um bom desempenho do motor se deve, entre outras coisas, ao instante em que a
faísca é produzida. O pistão deve estar em fase de compressão e próximo à posição
de menor volume do cilindro, pois, nessa situação, o aproveitamento da energia
liberada na explosão, para a realização do trabalho, é máximo. Nesse caso, diz-se que
o motor está “no ponto”.
Num motor adiantado, ele encontra-se desregulado e provoca a explosão da mistura
de ar e combustível antes do tempo ou do “ponto”. Desse modo, o movimento de
subida do pistão é parcialmente freado, resultando numa perda de potência.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
21
5. Usa-se a queima de carvão para aquecer uma caldeira onde a água vaporiza a alta
pressão. Neste caso, os trechos podem indicar:
• Trecho AB
Seria o momento em que se abre a válvula de escape e o vapor começa a sair,
provocando rápida diminuição da pressão, praticamente sem mudar o volume.
• Trecho BC
Momento em que o volume diminui, com uma pressão praticamente constante.
• Trecho CD
Finalmente os vapores restantes são expulsos por compressão, quando o pistão volta
e diminui de volume.
• Trecho DE
Poderá representar a etapa de queima do carvão para aquecer a caldeira onde a água
vaporiza a alta pressão (constante), aumentando seu volume.
• Trecho EA
A válvula de admissão do vapor se fecha, e o vapor se expande dentro do pistão,
empurrando-o o restante de seu percurso.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 5
ENTREVISTA COM UM TÉCNICO EM REFRIGERAÇÃO
PESQUISA DE CAMPO
Página 32
Uma vez realizada a entrevista, peça que os alunos a relatem, apresentando as
informações obtidas e as dúvidas que surgiram a partir do papo com o técnico. Reúna o
máximo de informações que puder para subsidiar a formalização dos conceitos
posteriormente. Incentive-os a explicar com suas palavras como a geladeira funciona.
Anote na lousa o que mais chamar a atenção para que, num próximo momento, possa
ser trabalhado.
Verifique se o relatório possui informações a respeito de o fato da geladeira
necessitar de uma substância de operação que, ao invés da água, é um gás chamado
freon. Além disso, a geladeira ainda possui partes que funcionam a altas temperaturas
(fonte quente) e a baixas temperaturas (fonte fria). O mais importante é relatarem que a
geladeira não usa calor, mas sim o bombeia de uma temperatura mais baixa para uma
mais alta, ou seja, o fluxo de calor não é espontâneo, como na turbina a vapor. Na
geladeira, a troca de calor se dá no sentido oposto, do mais frio para o mais quente, já
que espontaneamente o calor é transferido do quente para o frio. Portanto, para se
bombear calor na direção contrária, é preciso realizar um trabalho externo sobre o gás
freon, de modo que ele perca calor no condensador e evapore no congelador.
Provavelmente, o técnico poderá citar outros nomes ou expressões que
eventualmente fazem parte do jargão da área técnica. Entretanto, procure focar e se
prender mais às informações essenciais que possibilitam serem exploradas
posteriormente.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
23
Aprendendo a Aprender
Página 34
A geladeira funciona em ciclos utilizando um fluído (freon 12) em um circuito
fechado. Tem como partes essenciais o compressor (1), o condensador (2), uma válvula
descompressora (3) e o evaporador (congelador) (4).
O motor compressor comprime o freon, aumentando a pressão e temperatura,
fazendo-o circular através de uma tubulação. Ao passar por uma serpentina permeada
por lâminas no condensador, o freon perde calor para o exterior se liquefazendo. O
condensador fica atrás da geladeira. Ele é a parte quente que você já deve ter observado.
Ao sair do condensador, o freon liquefeito ainda a alta pressão chega a um
estreitamento da tubulação (tubo capilar) onde ocorre uma diminuição da pressão. O
capilar é a válvula de descompressão.
Quando o freon líquido e a baixa pressão chega à serpentina do evaporador, de
diâmetro bem maior que o capilar, se vaporiza retirando calor da região próxima
(interior do congelador). O gás freon a baixa pressão e temperatura é então aspirado
para o compressor onde se inicia um novo ciclo.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
24
O congelador é a parte mais fria e por isso sempre está localizado na parte superior
da geladeira, havendo assim condições de trocar calor com todo o seu interior. O ar
quente sobe, se resfria na região do congelador e depois desce, estabelecendo a
convecção do ar. É por esse motivo que muitas geladeiras são geralmente vazadas.
Tal como na turbina a vapor e no motor a combustão, a geladeira trabalha com uma
substância de operação, tem partes que funcionam a altas temperaturas (fonte quente) e
a baixas temperaturas (fonte fria).
Enquanto na turbina e no motor o calor flui espontaneamente da fonte quente para a
fria, na geladeira o fluxo de calor não é espontâneo. A troca de calor se dá do mais frio
(interior da geladeira) para o mais quente (meio ambiente). Para que isso ocorra, é
necessário trabalho externo sobre o freon para que ele perca calor no condensador e se
evapore no congelador.
Em cada ciclo, a quantidade de calor cedida para o meio ambiente através do
condensador é igual à quantidade de calor retirada do interior da geladeira, mais o
trabalho realizado pelo compressor.
VOCÊ APRENDEU?
Página 36
1. Conforme já descrito. Anteriormente, a geladeira funciona em ciclos, utilizando
como substância de operação um fluido que se vaporiza a baixa pressão e com alto
calor latente de vaporização. O gás freon é comprimido pelo compressor, sofrendo
assim um aumento de pressão e temperatura. Em seguida, o gás, ao passar pelo
condensador (grade quente que fica na parte de trás da geladeira), perde calor para o
meio externo e liquefaz-se. Ainda em alta pressão, o freon no estado líquido sai do
condensador e chega até uma válvula de descompressão, que nada mais é que um
estreitamento da tubulação, sofrendo então uma queda em sua pressão. O freon
liquefeito, agora de baixa pressão, chega até o evaporador (corriqueiramente
chamado de congelador). Com um diâmetro bem maior que o capilar, o freon então
se vaporiza e retira calor da região interna do congelador. Daí, um novo ciclo se
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
25
inicia quando o gás, em forma gasosa e a baixa pressão e temperatura, é aspirado
para o compressor.
2. A geladeira e o freezer são equivalentes quanto ao funcionamento. O freezer possui
um evaporador grande o suficiente para manter a temperatura interna da ordem de -
200º C. Por isso o motor (motor compressor) é mais potente, comprimindo maior
quantidade de freon 12 que a geladeira comum. Consequentemente, o condensador
do freezer troca maior quantidade de calor com o ambiente.
3. Os refrigeradores e os condicionadores de ar têm em comum o fato de trabalharem
em ciclos, num “circuito fechado”, sem gastar a substância refrigerante ao longo do
tempo. Os condicionadores de ar também são constituídos por um compressor, um
evaporador e um condensador, mas utilizam o freon 22, cuja temperatura de
ebulição. De (- 40,80º C à pressão atmosférica), permite a sua condensação sob
pressões menores sem haver necessidade de compressões tão potentes.
Nos condicionadores, o ar que provém do ambiente (contendo pó e umidade), após
passar por um filtro que retém suas impurezas, entra em contato com a serpentina do
evaporador, sendo resfriado e devolvido ao ambiente impulsionado por um
ventilador.
4. É menor que 800 cal.
De acordo com o esquema acima, podemos dizer que a quantidade de calor retirado
da fonte fria Q1 (interior da geladeira), é a diferença entre a quantidade de calor
jogado para a fonte quente (Q2) e o trabalho (W) recebido pelo compressor para
fazer o ciclo que, neste caso, não é espontâneo, como já abordado.
Q1 = Q2 – W ( 2ª Lei da Termodinâmica)
Como o calor rejeitado para o ambiente vale Q2 = 800 cal, pela expressão, teremos:
Q1 = 800 – W. Dessa forma, verifica-se que Q1 < 800 cal.
5. A ideia não vai funcionar, pois como a porta da geladeira está aberta e o radiador
também se encontra na sala, todo o calor retirado do ambiente, adicionado ao
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
26
trabalho realizado para retirar esse calor, será devolvido para a sala por meio do
radiador. Isso vai fazer com que a geladeira rejeite, ao final, maior quantidade de
calor do que absorveu.
LIÇÃO DE CASA
Página 38
O objetivo da questão é fazer com que os alunos façam uma pesquisa (pode ser na
internet ou mesmo em livros didáticos, enciclopédias, etc.) afim de já iniciar o que será
discutido na próxima situação de aprendizagem, momento em que serão abordados a
potência e o rendimento das máquinas térmicas.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 6
PESQUISANDO A POTÊNCIA E O RENDIMENTO
PESQUISA INDIVIDUAL
Página 39
Esta pesquisa tem como objetivo iniciar a abordagem e discussão a respeito da
potência e do rendimento das máquinas térmicas a partir do que os alunos trouxeram de
informações da entrevista. As principais informações devem ser colocadas na lousa ou
destacadas pelo professor para que posteriormente possam ser retomadas à medida que
os conceitos de potência e rendimento das máquinas térmicas forem abordados.
Aprendendo a Aprender
Página 40
1. A potência desses motores é diretamente determinada pela quantidade de
combustível aspirada pelo carburador ou injeção eletrônica de combustível,
comprimida e detonada pela faísca da vela, responsável pela explosão da mistura. É
essa explosão da mistura ar e combustível no interior do cilindro a responsável pelo
movimento do carro.
Os carros 1.0 têm o volume dos cilindros de 1 litro e são menos potentes porque o
volume da mistura ar e combustível, a ser detonada no cilindro do motor, é menor do
que num carro 1.6, que tem volume de 1,6 litros. Com isso, os motores 1.0
consomem menos combustível do que um carro 1.6.
A quantidade máxima de combustível ou mistura admitida em cada cilindro do
motor, multiplicada pelo número de cilindros que compõem o motor a explosão, é
denominada cilindrada, expressa em cm3 ou pol3.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
28
• Observação: Vale lembrar que não é apenas o volume dos cilindros que
determina a potência de um carro. As características dos motores, como o regime de
rotação, posicionamento dos cilindros, entre outras, também determinam a potência.
O melhor contra exemplo são os motores 1.0 turbo, que forçam a entrada da mistura
por meio de turbinas, postas em movimento pelos gases exalados do próprio motor.
2. Há vários procedimentos que contribuem para aumentar o rendimento dos motores.
Apesar de estar sendo solicitado somente dois fatores, vamos aqui destacar mais
alguns:
• Uma forma seria aumentar o fluxo de ar no interior do cilindro, pois quanto mais
ar é injetado em seu interior, maior será a explosão da mistura;
• Resfriar o ar que entra – comprimir o ar aumenta sua temperatura. O ideal é ter o
ar mais frio possível dentro do cilindro, pois quanto mais quente o ar, menos ele se
expande quando a combustão acontece;
• Procurar as peças mais leves – peças mais leves ajudam a melhorar o
desempenho do motor. Cada vez que o pistão muda a direção, ele usa mais energia
para frear a entrada em uma direção e começar outra. Quanto mais leve o pistão,
menos energia ele consome. Peças mais leves também permitem que o motor gire
mais rápido, dando a ele mais potência;
• Aumentar a proporção de compressão – quanto mais alta a proporção de
compressão, maior a força produzida. Quanto mais comprimida a mistura
ar/combustível, mais facilmente ocorrerá a explosão da mistura;
• Aumentar a atividade do cilindro – prender mais ar (consequentemente mais
combustível) em um cilindro, assim como aumentar seu tamanho, poderá levar a um
aumento na força obtida;
• Aumentar o deslocamento – mais deslocamento significa mais força, pois mais
gás é queimado durante cada revolução do motor.
VOCÊ APRENDEU?
Página 42
1. Ela diminuiria.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
29
Pela expressão do rendimento η =
quente
quente frio
T
T T  , quanto menor for a
temperatura da fonte quente (Tquente) menor será o rendimento ().
2. O ar condicionado retira calor do ambiente (fonte fria) e o rejeita para o exterior da
sala (fonte quente) à custa da realização de trabalho. Já no caso do refrigerador, ele
faz a mesma coisa, porém, ele libera calor para o mesmo ambiente. Isso faz com que
todo o calor retirado seja colocado novamente no mesmo ambiente, fazendo com que
a temperatura não varie significativamente.
Para o refrigerador funcionar de forma semelhante ao ar condicionado, deveríamos
colocar o condensador (radiador) em um ambiente externo para liberar o calor em
outro ambiente.
3. O refrigerador é um aparelho que reduz a temperatura dos materiais colocados em seu
interior e mantém neste ambiente uma temperatura inferior à de suas vizinhanças. O
refrigerador retira calor de uma fonte fria e, após a realização de trabalho pelo motor,
rejeita uma quantidade de calor para o ambiente (fonte quente). Como o calor sempre
passa espontaneamente da fonte quente para a fonte fria, nesse caso, o processo não é
espontâneo. Daí a necessidade de se realizar trabalho sobre o refrigerador.
Quanto maior for a temperatura da sala onde o refrigerador se encontra, maior deverá
ser o trabalho realizado para retirar calor de seu interior (fonte fria) e rejeitar para o
ambiente por meio do radiador (fonte quente), ou seja, mais trabalho o motor deverá
realizar para resfriar o interior (fonte fria). Dessa maneira, o motor do refrigerador
vai consumir mais energia para a realização desse trabalho.
4. Neste caso, temos uma máquina térmica que retira calor de uma fonte quente para a
realização de trabalho. Uma parte do calor fornecido pela fonte quente é rejeitada
para uma fonte fria. Essa é a 1ª Lei da Termodinâmica (que nada mais é que o
princípio da conservação da energia) e pode ser escrita da seguinte forma:
W = Qquente - Qfrio
Dessa forma, podemos escrever que:
43.000 = 176.000 - Qfrio
Qfrio = 133.000J
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
30
Então, 133.000J equivale à quantidade de energia rejeitada para a fonte fria que não
foi utilizada para realizar trabalho. Essa energia foi cedida ao ambiente. Como ela
não foi aproveitada de forma útil, dizemos que ela foi perdida.
O rendimento é dado por:
 = W/Qquente
 = 43.000/176.000
 = 0,244 ou  = 24,4%
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 7
UMA PERGUNTA INTRIGANTE: POR QUE TEMOS DE
ECONOMIZAR ENERGIA, JÁ QUE A FÍSICAA DIZ QUE ELA
NÃO SE PERDE
Roteiro 7
Página 44
Espera-se que o conteúdo principal a ser abordado no texto deva focar a respeito da
necessidade de se economizar energia devido ao fato de que nem toda a energia
produzida é transformada integralmente em trabalho. Uma parte se transforma em calor,
ou outra forma de energia, que não há como ser reaproveitada. Neste caso, dizemos que
houve uma perda da capacidade de sua utilização de forma útil. Por isso, é necessário
que haja um consumo racional de energia, visto que suas reservas são limitadas.
Aprendendo a Aprender
Página 46
O intuito é relacionar a resposta com a segunda Lei da Termodinâmica e,
consequentemente, com o conceito de entropia. Os alunos devem perceber o que foi
estudado no tema anterior, ou seja, parte da energia utilizada para realizar um trabalho
sempre é transformada em calor. Dessa forma, a parcela de energia transformada em
calor é “perdida”, no sentido de que não pode ser reutilizada para gerar mais trabalho.
Um motor, por exemplo, esquenta ao ser utilizado e, para produzir mais trabalho, é
preciso injetar mais combustível. Assim, na realidade, não ocorre uma perda efetiva de
energia. O que acontece é que ao ser convertida em calor há uma degradação dessa
energia de forma que não podemos mais utilizá-la para gerar trabalho útil.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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Leitura e Análise de Texto
Página 47
1. Um dos enunciados da segunda lei da termodinâmica diz que: “O calor não flui
espontaneamente de um corpo frio para um corpo quente”. Essa afirmação pode ser
facilmente observada no dia a dia, quando, por exemplo, deixamos uma taça de
sorvete fora da geladeira por certo tempo. Sabemos que o sorvete vai derreter, pois o
calor passa do ar para ele, excedendo sua temperatura de fusão. Da mesma forma, o
calor de uma xícara de café é transferido para o ar, esfriando o café. Não há sentido
acreditar que o contrário pudesse acontecer, ou seja, que o café se tornasse mais
quente enquanto o ar ao seu redor esfriasse. Observe que essa lei não diz que o calor
não pode passar do corpo mais frio para o mais quente, afinal é isso o que ocorre em
um refrigerador. O que ela afirma é que isso não acontece espontaneamente.
2. Inicialmente, o aluno precisará entender o significado físico dos termos ordem e
desordem. Para a Física, um sistema ordenado é aquele no qual uma determinada
quantidade de objetos, que podem ser átomos ou tijolos, está disposta de forma
regular e previsível. Assim, os átomos de um cristal ou os tijolos fixados em uma
parede são sistemas altamente ordenados. Já um sistema desordenado fisicamente é
aquele no qual os objetos estão dispostos de forma irregular, como os átomos de um
gás ou os tijolos espatifados depois de uma demolição. Então, de acordo com esse
princípio da termodinâmica, é possível citar como exemplo o que acontece com as
moléculas de gás que escapam de um vidro de perfume: elas se movem inicialmente
num estado relativamente ordenado, quando ainda estão confinadas no pequeno
vidro, para um estado altamente desordenado quando se abre a tampa do vidro.
3.
a) Irreversível, pois não há como juntar novamente os cacos de vidro da garrafa
e refazê-la.
b) Irreversível, pois não há como desfazer a mistura e voltar com os produtosque se
tinha antes da mistura.
c) Irreversível, pois apesar de o gelo poder se transformar em água e esta água
novamente se transformar em gelo, parte da água do gelo se mistura com o
refrigerante de forma a não ser possível seu retorno novamente ao gelo.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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d) Irreversível, porque a lenha depois de queimada não poderá retornar a madeira
original que se tinha antes da queima.
e) Irreversível, pois não há como obter o pneu da mesma forma que antes de ser
perfurado.
f) Reversível, pois a água do gelo poderá se transformar novamente em gelo.
• Observação : em todos os exemplos, ser reversível seria como "passar o filme"
do fenômeno ao contrário e não a sensação de impossibilidade.
4. A primeira Lei da Termodinâmica se restringe apenas à conservação da energia,
possibilitando todas as conversões de energia, uma vez que não estabelece um
sentido único para as suas transformações. Já a segunda lei estabelece um “sentido
preferencial” para a energia, uma vez que o calor flui espontaneamente somente do
corpo quente para o corpo frio. A segunda lei considera ainda que a energia não
aproveitada no processo (energia degradada) não pode ser reaproveitada pelo
sistema.
LIÇÃO DE CASA
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1. De acordo com a primeira Lei da Termodinâmica, a energia não pode ser criada, nem
destruída, apenas transformada. Por isso, é impossível que uma máquina seja capaz
de realizar trabalho sem que uma energia seja transformada e cedida ao sistema.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 8
O BALANÇO ENERGÉTICO DO BRASIL E OS CICLOS DE
ENERGIA NA TERRA
Aprendendo a Aprender
Página 52
Fonte de energia Fonte
primária
Fonte
secundária
Renovável Não
renovável
Petróleo x - - x
Água x - x
Urânio x - - x
Lenha - x x -
Vento x - x -
Álcool - x x -
Sol x - x -
Carvão mineral x - x -
Gás natural x - - x
Biodiesel - x x -
Ondas do mar - x x -
Bagaço da cana - x x -
Fontes primárias: as fontes primárias de energia apresentam-se disponíveis aos seres
vivos na forma ou estado que o ciclo da natureza oferece e determina. Elas são
utilizadas na forma como provém da natureza.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
35
Fontes secundárias: são fontes derivadas das fontes primárias, representando apenas
transformações ou conversões da energia.
Fontes Renováveis e não Renováveis: as fontes classificadas como não renováveis são
aquelas cuja escala de tempo envolvida no processo de reposição natural é da ordem
de milhares ou milhões de anos, além de requerer condições favoráveis, como
pressão e temperatura. Quanto à reposição artificial dessas fontes, quando não é
impossível, é absolutamente inviável, já que na maioria das vezes envolve um gasto
energético igual ou superior à quantidade de energia a ser obtida.
Já as fontes renováveis são aquelas cuja reposição pode ser feita facilmente, envolvendo
escalas de tempo da ordem de alguns anos, como, por exemplo, a biomassa.
Leitura e Análise de Texto
Página 54
• O carbono é o componente primário de toda matéria orgânica. Ele pode ser
encontrado em grandes concentrações na atmosfera terrestre, nas rochas, no solo e
nos sedimentos. O ciclo de carbono possui várias fases, sendo as duas principais a
fotossíntese e a respiração. A fotossíntese é o processo em que as plantas absorvem a
energia solar e CO2 da atmosfera, produzindo oxigênio e carboidratos (açúcares,
como a glicose), elementos fundamentais para o crescimento das plantas. Já a
respiração é a fase na qual essa glicose é decomposta para liberar a energia usada
pelo organismo. Os animais e as plantas utilizam os carboidratos na respiração,
utilizando a energia contida na glicose e emitindo CO2.
Juntamente com a decomposição orgânica (forma de respiração das bactérias e
fungos), a respiração devolve o carbono (depositado nos ecossistemas terrestres e
marinhos) para a atmosfera. É por meio de processos como fotossíntese, respiração e
decomposição que os átomos de carbono circulam, seja pela atmosfera, pelos
vegetais, pelos animais e pelos oceanos. Desse modo, podemos perceber que tanto na
fotossíntese como na respiração, fundamentais no ciclo do carbono, estão envolvidos
os primeiros e os principais processos de transformação de energia no ambiente
terrestre.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
36
VOCÊ APRENDEU?
Página 55
1. O carbono passa por várias fases. Ele pode ser incorporado aos seres vivos
(participando de estruturas ou de processos bioquímicos fundamentais para a vida),
pode retornar à atmosfera na forma de gás carbônico pela respiração e também pela
decomposição dos seres vivos após sua morte (em que ocorre liberação do carbono
remanescente). Entretanto, em certas condições, a matéria orgânica pode ficar livre
da ação de decompositores e vir a sofrer lentas e gradativas transformações químicas.
Dessa maneira, se originam os depósitos de carvão e petróleo.
2. Sim, pois direta ou indiretamente todos os tipos de energia utilizados pelas máquinas
em geral provêm da radiação solar.
A gasolina, o óleo diesel e outros derivados do petróleo são formados por fósseis de
vegetais e animais, assim como os alimentos, carvão vegetal e a lenha, produzidos
pelas plantas, são resultados de transformações da energia proveniente do sol.
A hidroeletricidade, como a energia dos ventos e as combustões de todos dos tipos,
também dependem da radiação solar, seja para a evaporação da água, para a
circulação do ar ou para a fotossíntese, responsável pela formação dos combustíveis.
3. Participa de certo modo, pois toda substância orgânica tem carbono em suas
moléculas e o álcool é produzido a partir da cana-de-açúcar, um vegetal. A vantagem
é que o álcool é considerado energia renovável, pois se pode plantar e colher a cana,
o que não pode ser feito com a energia produzida a partir do petróleo.

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